单光子探测器

一、主要性能参数

实验中，通常选用以下几个指标来衡量单光子探测器的工作性能：

1. 光谱响应范围

由于吸收层材料能带带隙的限制，单光子探测器只能对一定光谱范围内的入射光信号作出响应，其光谱响应范围即其能进行有效探测的范围决定了其特定的应用领域。

2. 探测效率

单光子探测器的探测效率 \( \eta \) 是指入射的光子被探测器成功探测到的概率，定义如下：

\( \eta =\frac{R_{detected}}{R_{incident}} \)

\( R_{detected} \) 是指单位时间内探测器探测到的光子数即实际计数值， \( R_{incident} \) 是指单位时间内入射的光子数，两者之比即为探测效率。从结构上来说，探测器的整体探测效率为探测器内在量子效率与耦合效率的乘积，一般情况下，对于使用者而言，我们关注的重点不在于器件固有的内在量子效率，而是在于探测器最终表现出来的整体探测效率。理论上讲，探测效率值越大越好，但实际使用中，要充分考虑噪声的影响，最佳信噪比往往是决定探测器实际探测效果的重要因素。不同的应用领域，对于探测器的探测效率也有不同的要求，比如线性光量子计算，对于探测效率的要求极高，要求探测器的探测效率接近 100%。

3. 暗计数率

理想来说，当没有光子入射时，单光子探测器应没有输出信号，但实际情况并不如此，即使没有光子入射，绝大多数的探测器还是存在一定的误发信号，这就是所谓的暗计数率，也被称为暗噪声或暗电流。这主要与探测器的敏感材料，偏置电路以及外部噪声有关。一般情况下，暗计数率用 Hz 表示，或是表达为个/秒，有些情况下，也可表达为个/探测门。根据暗计数率的影响因素，将探测器设置在门控模式或是设置淬灭时间，可有效减小暗计数率。而门脉冲的最小宽度或淬灭时间间隔又由探测器的时间抖动所决定。

4.  时间抖动

时间抖动也被称为时间分辨率，是指光子吸收和探测器输出电信号之间的间隔时间的不确定性范围。对同一时间入射的光子进行多次测量，通过探测器输出电信号在时间轴上的统计分布的半高宽来具体衡量时间抖动。对于探测器而言，时间抖动越小，意味着该探测器的时间分辨能力和精确度越好，特别是对于飞行时间式激光测距与成像系统，时间抖动是决定其精确度的重要因素。

5. 死时间

当单光子探测器探测到一个光子时，它不能立即对下一个到来的光子做出响应，而是需要间隔一定的时间，这个时间叫做死时间，也称为单光子探测器的恢复时间。死时间与探测器内部敏感材料有关，但更多情况下，实际测量出来的死时间很大程度上受到探测器的偏置电路，计数电路的影响，而非敏感材料本身。半导体单光子探测器实际应用中，死时间往往会被刻意地适当延长来抑制后脉冲（后脉冲是由于俘获的载流子再次释放产生不对应光子信号的随机信号）。死时间的长短会限制单光子探测器的最大计数率，但不影响其工作频率。对于一些计数率要求很高的场合，需要设计合理的探测电路来确保较低的死时间。

6. 后脉冲概率

后脉冲是由于俘获的载流子再次释放产生不对应光子信号的随机信号，脉冲光信号输入单光子探测器，除去探测器暗噪声的影响，理论上只有当光脉冲到达探测器时，探测器才会响应输出电脉冲，实际上在没有光信号的时间段，探测器也会输出电信号，这个现象就是后脉冲。后脉冲概率是在脉冲光信号没有到达探测器的时间内，探测器输出信号的计数和整个周期内探测器输出信号的总计数的比值。

7. 饱和计数率

随着单光子探测器的输入光信号的功率不断增加，探测器输出信号的计数也不断变大，但是当输入信号的功率达到一定值之后，再提高输入光信号，探测器的输出计数则会下降。探测器每秒输出的最大计数就称为饱和计数率，即单光子探测器输出计数的动态范围。

二、单光子探测器连接说明

表1 单光子探测器后面板接口

1. 可见光单光子探测器前面板为光信号输入，通过空间耦合入射到 Si-APD 的探测靶面上；

2. 单光子探测器后面板接入+12V/2 A 的电源适配器，通电即开机。开机之前，请务必确认可见光单光子探测器处于暗室环境，且入射到探测器 靶面上的平均光功率不超过 1E-2 nW；

3. 单光子探测器后面板上的信号输出和门控输入端口均为 SMA 接口，LVTTL 电平标准。

三、注意事项

1. 不正确的电压可能损坏模块，应保证接入电源不高于28 V，并可提供足够电流；

2. APD属于高灵敏光电探测器件，在雪崩状态下应控制输入光信号强度，过高的光强可能损坏APD，这种损害可能降低APD的探测灵敏度，严重时甚至会造成二极管击穿；

3. 在特殊的应用场景下，应保证模块的工作温度不超过50 °C，过高的温度可能导致APD工作温度上升，从而引起暗计数水平升高；

4. SPD系列的默认死时间为50 ns。死时间设定会影响模块的最大计数率，当死时间设定在50 ns时，最大计数率为10 Mcps；

5. 输出信号的脉宽也会影响最大计数率，典型脉宽为30 ns；

6. SPD系列支持空间或光纤接口接入。