单光子计量中的探测系统设计与实现

单光子计量中的探测系统设计与实现

单光子计量已经成为量子信息处理和量子计算机中不可或缺的

技术之一。在单光子计量中，一个关键的技术就是光子探测器，

它的性能直接影响光子计量的精度和灵敏度。而实现高灵敏度的

光子探测器，不仅需要优秀的光电转换效率，还需要极限的能量

分辨率和时间分辨率。本文将介绍单光子计量中光子探测器的设

计和实现。

1. 光子计量中的光子探测器

光子探测器的种类很多，在光子计量中比较常用的主要有两种：光电倍增管（Photomultiplier Tube, PMT）和单光子雪崩探测器（Single-Photon Avalanche Diode, SPAD）。PMT不仅具有很高的

量子探测效率，还有很高的信号增益，适用于低亮度的光子计量

实验。但是，PMT的能量分辨率和时间分辨率较差。而SPAD具

有很高的能量分辨率和时间分辨率，是单光子计量中的最佳选择

之一。

2. 单光子雪崩探测器的构成和原理

SPAD是一种具有内建放大器和光电转换效率的单光子探测器，利用电子雪崩效应将光子信号转换为电子信号，再通过内建放大

器将电子信号放大，从而获得可读的信号。SPAD的内建放大器包括电子积分放大器（Electronic Integration Amplifier, EIA）和

CMOS前置放大器（Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS Amplifier）。EIA需要较长的积分时间来完成放大，例如10毫秒，而CMOS放大器快速响应，可以在原始时钟周期内完成电荷放大。CMOS前置放大器有望在未来成为SPAD的主流放大器设计。

3. SPAD的光电特性

SPAD的光电转换过程可以分为三个阶段：吸收、荷载和电子放大。在吸收阶段，当光子进入探测器时，它可以被探测器中的半导体材料吸收。这里需要注意的是，SPAD通常使用Si和Ge探测器，其中Si探测器的吸收效率较高，但Ge探测器的噪声散点较小。

在荷载阶段，光子被吸收之后，产生了电子 - 洞对。加在探测器上的偏压电场加速电子和空穴，使其在卡尔曼空穴对隧穿（KAPT）效应的影响下发生干扰。经过放大器的处理后，荷载的电子被放大为可读取的电压信号。

最后，在电子放大阶段，电子被放大为与荷载电荷大小相等的电荷或电流。在此过程中，降低随机噪声和提高探测器响应时间的关键在于仪器的电路设计和放大器的噪声特性。

4. 实用的SPAD设计

SPAD的实用设计需要考虑光电转换效率、噪声特性、时间分辨率和能量分辨率等多个因素。其中，光电转换效率和能量分辨率之间存在固有的竞争关系。如果增加探测器材料的厚度，可以提高能量分辨率，但也会降低光电转换效率。因此，在实用SPAD设计中，需要综合考虑优化探测器的材料、结构和电路等多个方面。

5. 结论

在量子信息处理和量子计算机等领域，单光子计量技术已经成为不可或缺的技术之一。SPAD是实现单光子计量的一种重要的光子探测器，具有高能量分辨率和时间分辨率。在实用SPAD设计中，需要综合考虑光电转换效率、噪声特性、时间分辨率和能量分辨率等多个因素，以实现高灵敏度的单光子计量。