单光子探测器
Fabrication and Characterization of Superconducting Nanowire Single-Photon Detectors on Si Waveguide Kentaro Waki,Taro Yamashita,Shin-ichiro Inoue,Shigehito Miki,Hirotaka Terai,Rikizo Ikuta,
Takashi Yamamoto,and Nobuyuki Imoto
Abstract—We report the fabrication and characterization of a niobium titanium nitride(NbTiN)-based superconducting nanowire single-photon detector(SSPD or SNSPD)on the Si waveguide toward the realization of waveguide-coupled SSPD. The device consists of a silicon optical waveguide fabricated using a silicon-on-insulator(SOI)substrate and a100-nm-wide NbTiN nanowire constructed on the waveguide,with an inductor to pre-vent latch operation.For the fabricated device,the observed super-conducting critical temperature and critical current were7.85K and34.4μA at0.3K,respectively.We investigated the optical response of the fabricated device and found that the device ex-hibited a single-photon response by measuring of the input power dependence of the output count rate.Furthermore,the fabricated device showed a clear bias current dependence of the output counts similar to conventional SSPDs,and the pulse-generation probability is estimated to be90.1%based on two assumptions: a sigmoidal model to the detection ef?ciency and the device has a 100%pulse-generation probability at the saturated region.
Index Terms—Niobium titanium nitride(NbTiN),optical waveguide,silicon-on-insulator(SOI)substrate,superconducting nanowire single-photon detectors(SSPDs).
I.I NTRODUCTION
M ONOLITHICALLY integrated quantum photonic cir-cuits(MIQPCs)have been actively studied in the?eld of quantum optics for improving the performance,miniaturization and scalability of photonic devices[1]–[9].An MIQPC is composed of various quantum optical components,such as single photon sources and detectors,where each component should be prepared using or on an optical waveguide structure. Silicon(Si)waveguides are an attractive choice for this purpose, because of their ultra-low optical loss and high refractive index, the latter allowing for dense integration.Hence,the realization of optical components with high performance prepared on Si
Manuscript received August11,2014;accepted December19,2014.Date of publication December24,2014;date of current version February6,2015. K.Waki,R.Ikuta,T.Yamamoto,and N.Imoto are with the Department of Materials Engineering Science,Graduate School of Engineering Science, Osaka University,Toyonaka565-0871,Japan(e-mail:waki@qi.mp.es.osaka-u.ac.jp;ikuta@mp.es.osaka-u.ac.jp;yamamoto@mp.es.osaka-u.ac.jp;imoto@ mp.es.osaka-u.ac.jp).
T.Yamashita,S.Miki,and H.Terai are with the Advanced ICT Research Institute,National Institute of Information and Communications Technology, Kobe651-2492,Japan(e-mail:taro@nict.go.jp;s-miki@nict.go.jp;terai@ nict.go.jp).
S.Inoue is with PRESTO,Japan Science and Technology Agency,Chiyoda 102-0076,Japan,and also with the Advanced ICT Research Institute,National Institute of Information and Communications Technology,Kobe651-2492, Japan(e-mail:s_inoue@nict.go.jp).
Color versions of one or more of the?gures in this paper are available online at https://www.wendangku.net/doc/846051108.html,.
Digital Object Identi?er10.1109/TASC.2014.2385836waveguides is crucial;in particular,single-photon detectors on Si waveguides are one of the most important components in an MIQPC.
Recently,superconducting nanowire single-photon detectors (SSPDs or SNSPDs)have been regarded as promising can-didates for the practical and high performance single-photon detector[10]–[15].SSPDs have various advantages,such as high system detection ef?ciency(SDE),low dark count rate (DCR),and excellent timing resolution,and already have been applied in a wide range of research?elds such as quantum communication,quantum optics and life science[16]–[19]. In recent years,the waveguide-coupled type of SSPD,which consists of a superconducting nanowire prepared on the opti-cal waveguide,has been studied for implementing SSPDs in an MIQPC[1]–[6].In the waveguide-coupled SSPD,photons propagating into the waveguide exude as evanescent photons from the waveguide to a superconducting nanowire at the interface of the waveguide and a superconducting nanowire. Since the evanescent?eld has signi?cantly overlapped with the nanowire which has a few nanometers thick,evanescent photons are absorbed to a superconducting nanowire,and can be detected through an electrical pulse by a temporary transition to the normal state[1].Theoretical and experimental studies have demonstrated that photon absorption in the nanowire can reach nearly100%when the nanowire length is greater than several tens of micrometers[3],and thus high detection ef?ciency can be realized by optimizing the optical design of the device.Furthermore,the nanowire length of a waveguide-coupled SSPD is much shorter than that of a conventional SSPD[2]–[6],improving the maximum counting rate due to a reduced kinetic inductance in the nanowire[20].Therefore, the waveguide-coupled SSPD is an attractive choice for the realization of MIQPCs.
A waveguide-coupled SSPD on a Si waveguide with a nio-bium nitride(NbN)nanowire has been studied and character-ized[3],where an internal ef?ciency of～90%was reported but SDEs are low as a device.Further improvement in performance is necessary for the scalability required by a quantum photonic circuit.On the other hand,niobium titanium nitride(NbTiN) can be used to realize high performance,as?ber-coupled conventional NbTiN SSPDs have demonstrated high SDEs of up to80%with low DCR of～100cps[15].In this pa-per,toward the realization of NbTiN-based waveguide-coupled SSPD on the Si waveguide by using silicon-on-insulator(SOI) substrates,we report the fabrication and characterization of an NbTiN SSPD on the Si waveguide by applying the fabrication techniques of conventional NbTiN SSPDs.
1051-8223?2014IEEE.Personal use is permitted,but republication/redistribution requires IEEE permission.
See https://www.wendangku.net/doc/846051108.html,/publications_standards/publications/rights/index.html for more information.
Fig.1.Scanning electron microscope(SEM)image of the fabricated NbTiN-based SSPD on the Si waveguide(the red area is a Si waveguide,and the blue area is an inductor)and the zoomed-in SEM image of an NbTiN nanowire (red area)on top of the Si waveguide.
II.D EVICE D ESIGN AND F ABRICATION
Fig.1shows a scanning electron microscope(SEM)image of the fabricated NbTiN-based SSPD on Si waveguide and the zoomed-in SEM image of an NbTiN nanowire-on-silicon waveguide.We used commercially available SOI wafers with a 250nm-thick Si layer on top of the3-μm-thick buried oxide layer.The Si optical waveguide was designed with a width of500nm and a thickness of250nm.First the waveguide pattern was fabricated using electron beam lithography on a positive resist(ZEP520A),and a Si layer was etched using inductively coupled plasma(ICP)etching.Subsequently,a 5-nm-thick NbTiN?lm was deposited by dc reactive sputtering, and the nanowire structure was formed on the Si waveguide by electron beam lithography using a careful alignment pro-cess and reactive ion etching.The width and spacing of the NbTiN nanowire were designed to be100nm and150nm, respectively,and the total nanowire length was50μm to obtain high ef?ciency and high response speed based on the previous studies[1],[3].The inductor component,(blue area in Fig.1) consisting of a meander structure with a200-nm-wide line and 200-nm spacing,with a length of2mm,a inductance value of about1μH,was simultaneously fabricated to prevent the latching phenomenon robustly[21],[22].100-nm-thick NbN contact pads were also prepared using photolithography with an AZ5206resist with a lift-off process.
III.E XPERIMENTAL S ETUP
Fig.2shows a schematic diagram of our experimental setup. The fabricated device was mounted on the sample stage of a 3He refrigerator with a base temperature of0.3K.We used a1550-nm-wavelength continuous wave laser diode(81980A, Agilent Technologies)as a photon source.The incident light was heavily attenuated so that the photon?ux at the input connector of the refrigerator was107photons/s.A polariza-tion controller was inserted in front of the optical input of the refrigerator to obtain the maximum detection ef?ciency. The incident light through a single mode(SM)?ber
installed Fig.2.Experimental setup for the NbTiN SSPD on the Si waveguide.Here, we directly irradiated the nanowire with the incident light from the front side of the chip.The smallest spot-size diameter of the miniature confocal microscope con?guration mounted in the nano-positioner is～2μm.
inside the refrigerator was aligned and precisely focused to the fabricated device by using the miniature confocal microscope con?guration with a nano-positioner(ANPx100and ANPz100, attocube systems)placed on the sample stage.A light spot of diameter～2μm was focused on the nanowire,as shown in Fig.2.In the present work,we directly irradiated the nanowire with light from the front side of the chip to investigate the optical response of the NbTiN nanowire on the Si waveguide though the incident light should be coupled through the input port of the waveguide in future.A bias current was applied to the NbTiN nanowire via dc port of the bias tee using a dc voltage source with a100-kΩresistor in series.The output pulse from the SSPD transmitted through the ac port of the bias tee,is ampli?ed by two low-noise ampli?ers before,reaching the pulse counter.
IV.R ESULTS AND D ISCUSSION
First we measured the resistance-temperature and current-voltage characteristics of the fabricated device.The super-conducting critical temperature was7.85K,and the superconducting switching current was34.4μA at0.3K.Next, we investigated the single-photon response of the fabricated device.Fig.3indicates the measured input optical power de-pendence of the output count rate(red symbols).As a criterion evaluating whether the fabricated device responses to single-photon,true single-photon counting requires that the photon detection probability has a linear dependence on the number of photons incident on the device[10].The number of photons contained in the pulse laser light per unit pulse is known to show a Poisson distribution.Assuming that the number of photons per unit time emitted by the continuous wave laser also follows a Poisson distribution,as shown by the solid lines in Fig.3,it is expected that the power dependence follows the curve with n=1for a single photon response,and the curve with n=2 for a two-photon response,where n is the number of photons absorbed from input photons per unit time.The obtained data agrees well with the theoretical curve for n=1,as indicated in Fig.3.Based on the above discussion,we have con?rmed that the fabricated device actually has a single-photon response.
W AKI et al.:FABRICATION AND CHARACTERIZATION OF SSPDs ON SI W A VEGUIDE
2200704
Fig.3.Input optical power dependence of the photon count rate at 0.3K.Red symbols indicate the measured count rate.Solid lines indicate the theoretical curves based on a Poisson
distribution.
Fig.4.Bias current dependence of the (red symbols)count rate and (black symbols)DCR at 0.3K and the ?tting to the experimental data by the sigmoid function.Input photon ?ux is 107photons/s.
Finally,we have measured the bias current dependence of the count rate and the DCR,as shown in Fig.4.Although the output counts are very small for the incident photon rate because of the inef?cient optical coupling,a clear bias current dependence,similar to that of the conventional meandering SSPD,was observed for the NbTiN nanowire.The sigmoidal type of shape for the bias current dependence of the photon count rate has been known empirically [13],[15],[23],[24].Although the physical basis for this function is not clear,only pulse-generation probability depends on the bias current in the photon count rate.The pulse-generation probability is the probability that the nanowire generates an electrical pulse after the photon absorption.In the saturated region of the sigmoidal function,the detection ef?ciency is not improved even by applying the bias current further.Therefore,assuming that the ?tting of the experimental data to a sigmoidal function and 100%pulse-generation probability in the saturated region,we estimated the pulse-generation probability of the device.As shown in Fig.4,for the present device,we have found that the pulse-generation probability is estimated to be 90.1%near the critical current.From this estimation,it was also found that the obtained curve is approaching the saturation in the high bias current regime near the critical current.This result indicates that the quality and intrinsic ef?ciency of the nanowire was not changed much from that of a conventional SSPD.In fact,the present device can operate correctly even under a high bias current of 0.97I c because we adopted the inductor to prevent
latching.At this temperature,the DCR (black symbols in Fig.4)is nearly zero in the entire bias current range.
In the present study,we have evaluated the output counts of the fabricated device by illuminating the nanowire from the front side of the chip,and not by entering the waveguide input port,because lossy optical coupling between the incident light and the waveguide was anticipated owing to the rough surface of the input port without a spot-size converter [25].In future studies,a high SDE is expected to be achieved by adopting a spot-size converter at the input port of the waveguide and fabricating a ?at surface for the input port.
V .C ONCLUSION
We have fabricated and characterized an NbTiN-based SSPD on a Si waveguide by using the SOI substrate toward the fabrication of waveguide-coupled SSPD.The superconducting critical temperature and critical current of the fabricated device were 7.85K and 34.4μA at 0.3K,respectively.We investigated the optical response of the device by irradiating the nanowire from the front side of the chip with the miniature confocal microscope con?guration mounted on the nano-positioner.Our results demonstrated that the fabricated device actually has a single-photon response,and showed a clear bias current dependence similar to that of conventional SSPDs.We assumed that the bias current dependence of the detection ef?ciency follows a sigmoidal model and that the device has a 100%pulse-generation probability at the saturated region,and found the on-chip detection ef?ciency of the developed device could be 90.1%at a maximum.The results presented in this work will form a basis for the realization of a high performance waveguide-coupled SSPD to be implemented in a MIQPC.
A CKNOWLEDGMENT
The authors would like to thank S.Imamura of the National Institute of Communications Technology for the technical support.
R EFERENCES
[1]X.Hu,C.W.Holzwarth,D.Masciarelli,E.A.Dauler,and K.K.Berggren,
“Ef?ciently coupling light to superconducting nanowire single-photon detectors,”IEEE Trans.Appl.Supercond.,vol.19,no.3,pp.336–340,Jun.2009.
[2]J.P.Sprengers et al.,“Waveguide superconducting single-photon de-tectors for integrated quantum photonic circuits,”Appl.Phys.Lett.,vol.99,no.18,Oct.2011,Art.ID.1181110.
[3]W.H.P.Pernice et al.,“High-speed and high-ef?ciency travelling
wave single-photon detectors embedded in nanophotonic circuits,”https://www.wendangku.net/doc/846051108.html,mun.,vol.3,pp.1325–1335,2012.
[4]C.Schuck,W.H.P.Pernice,and H.X.Tang,“NbTiN superconducting
nanowire detectors for visible and telecom wavelengths single photon counting on Si3N4photonic circuits,”Appl.Phys.Lett.,vol.102,no.5,2013,Art.ID.051101.
[5]C.Schuck,W.H.P.Pernice,X.Ma,and H.X.Tang,“Optical time
domain re?ectometry with low noise waveguide-coupled superconducting nanowire single-photon detectors,”Appl.Phys.Lett.,vol.102,no.5,2013,Art.ID.191104.
[6]C.Schuck,W.H.P.Pernice and H.X.Tang,“Waveguide integrated low
noise NbTiN nanowire single-photon detectors with milli-Hz dark count rate,”Sci.Rep.,vol.3,pp.1893–1899,2013.
[7]J.E.Sharping et al.,“Generation of correlated photons in nanoscale
silicon waveguides,”Opt.Exp.,vol.14,no.25,pp.12388–12393,Dec.2006.
2200704IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY,VOL.25,NO.3,JUNE2015
[8]J.Claudon et al.,“A highly ef?cient single-photon source based on
a quantum dot in a photonic nanowire,”Nature Photon.,vol.4,
pp.174–177,2010.
[9]S.Inoue,and A.Otomo,“Electro-optic polymer/silicon hybrid slow
light modulator based on one-dimensional photonic crystal waveguides,”
Appl.Phys.Lett.,vol.103,no.17,2013,Art.ID.171101.
[10]G.N.Gol’tsman et al.,“Picosecond superconducting single-photon opti-
cal detector,”Appl.Phys.Lett.,vol.79,no.6,pp.705–707,Aug.2001. [11]R.H.Had?eld,“Single-photon detectors for optical quantum information
applications,”Nature Photon.,vol.3,pp.696–705,2009.
[12]E.A.Dauler et al.,“Review of superconducting nanowire single-photon
detector system design options and demonstrated performance,”Opt.
Eng.,vol.53,no.8,2014,Art.ID.081907.
[13]F.Marsili et al.,“Detecting single infrared photons with93%system
ef?ciency,”Nature Photon.,vol.7,pp.210–214,2013.
[14]D.Rosenberg,A.J.Kerman,R.J.Molnar,and E.A.Dauler,“High-speed
and high-ef?ciency superconducting nanowire single photon detector array,”Opt.Exp.,vol.21,no.2,pp.1440–1447,Jan.2013.
[15]S.Miki,T.Yamashita,H.Terai,and Z.Wang,“High performance
?ber-coupled NbTiN superconducting nanowire single photon detec-tors with Gifford–McMahon cryocooler,”Opt.Exp.,vol.21,no.8, pp.10208–10214,Apr.2013.
[16]R.Ikuta et al.,“High-?delity conversion of photonic quantum information
to telecommunication wavelength with superconducting single-photon detectors,”Phys.Rev.A,vol.87,2013,Art.ID.010301(R).
[17]R.Ikuta et al.,“Nonclassical two-photon interference between indepen-
dent telecommunication light pulses converted by difference-frequency generation,”Phys.Rev.A,vol.88,Oct.2013,Art.ID.042317.[18]R.Ikuta et al.,“Observation of two output light pulses from a partial
wavelength converter preserving phase of an input light at a single-photon level,”Opt.Exp.,vol.21,no.23,pp.27865–27872,Nov.2013.
[19]N.R.Gemmell et al.,“Singlet oxygen luminescence detection with
a?ber-coupled superconducting nanowire single-photon detector,”Opt.
Exp.,vol.21,no.4,pp.5005–5013,Feb.2013.
[20]A.J.Kerman et al.,“Kinetic-inductance-limited reset time of supercon-
ducting nanowire photon counters,”Appl.Phys.Lett.,vol.88,no.11, Mar.2006,Art.ID.111116.
[21]S.Miki et al.,“Superconducting single photon detectors integrated with
single?ux quantum readout circuits in a cryocooler,”Appl.Phys.Lett., vol.99,no.11,Sep.2011,Art.ID.111108.
[22]A.J.Kerman,J.K.W.Yang,R.J.Molnar, E. A.Dauler,and
K.K.Berggren,“Electrothermal feedback in superconducting nanowire single-photon detectors,”Phys.Rev.B,vol.79,Mar.2009, Art.ID.100509(R).
[23]T.Yamashita,S.Miki,H.Terai,and Z.Wang,“Low-?lling-factor super-
conducting single photon detector with high system detection ef?ciency,”
Opt.Exp.,vol.21,no.22,pp.27177–27184,Nov.2013.
[24]F.Marsili et al.,“Ef?cient single photon detection from500nm to5μm
wavelength,”Nano Lett.,vol.12,no.9,pp.4799–4804,Sep.2012. [25]T.Tsuchizawa et al.,“Microphotonics devices based on silicon mirco-
fabrication technology,”IEEE J.Sel.Topics Quantum Electron.,vol.11, no.1,pp.232–240,Jan./Feb.2005.
单光子探测器技术原理
单光子探测器技术原理简介 1. 工作原理 单光子探测器是一种对微弱光信号进行探测的设备，输入光强度最低可到单光子水平。以通信最常用的1550nm和1310nm光波长为例，单个光子的能量分别为1.28*10-19焦耳和1.52*10-19焦耳，这意味着输入信号能量极其微弱，必须使用特殊的光子检测器件探测输入光子脉冲事件。不同种类的雪崩管服务于不同的探测应用目的，例如基于Si的雪崩管适用于可见光波段检测，InGaAs或InP 的雪崩管更适合近红外波段。 薄结工艺标准CMOS工艺厚结工艺 常见的SACM型InGaAs/InP APD的半导体结构
数据来自Micro Photon Devices公司数据来自Perkin Elmer公司 单光子探测器的工作原理是利用工作于盖革模式（Geiger Mode）下的InGaAs/InP雪崩光电二极管（APD）进行单光子探测。所谓盖革模式是指APD 工作时要加反向偏压，偏压幅度略微超过雪崩阈值电压，盖革模式与线性模式的区别在于能够将微弱光生载流子放大产生宏观电流。根据对APD施加偏压的波形，将探测器分为门控工作模式和自由运行模式两类。光子入射到APD内部引发雪崩，产生微弱雪崩电流脉冲。探测器内部处理电路采用跨导放大器将微弱电流脉冲转换成电压脉冲并放大、整形，再经过甄别、死时间处理后输出电平、宽度固定的数字脉冲，探测器有脉冲输出表示检测到了输入单光子或微弱光脉冲，而脉冲前沿位置代表光子输入时刻。光子输入事件及其发生事件正是量子信息、单光子雷达等应用关注的最重要内容，单位时间内计数值则反映了输入光强度。入射光子引发雪崩发生后，必须尽快将雪崩淬灭，一方面避免雪崩管过度放电，更重要的是将雪崩管恢复到可用状态，能够及时检测下一个入射光子事件。根据淬灭方式的不同，将探测器分为主动淬灭和被动淬灭两类。
单光子探测用于光子统计测量的研究
论文第49卷第8期 2004年4月 单光子探测用于光子统计测量的研究 肖连团降雨强赵延霆尹王保赵建明贾锁堂 (山西大学物理电子工程学院, 量子光学与光量子器件国家重点实验室, 太原 030006. E-mail: xlt@https://www.wendangku.net/doc/846051108.html,) 摘要实验研究了通过记录每一个光子事件直接测量微弱脉冲激光(平均光子数n≈0.1, 脉冲持续时间10ns)的Mandel 参数. 在基于Hanbury-Brown-Twiss探测结构, 取样时间内每个单光子计数器最多探测到一个光子的情况下, 测量发现低于阈值电流工作的二极管激光呈Super-Poisson统计分布. 另外验证了工作于远高于阈值电流的二极管激光(强度噪声主要为散粒噪声)的Poisson分布相干态的Mandel 参数Q C约为?n/2. 在测量误差内, 实验结果与理论分析一致. 关键词光子统计Mandel参数死区时间单光子计数器Poisson分布 辐射源的光量子态特性对于研究近代量子光学中光与物质的相互作用具有重要意义. 对光量子态的严格表述需要密度算符或Wigner函数, 但是这些参数在通常的实验条件下难以测量[1]. 为了进行光场的非经典特性研究, 通常利用基于经典电磁场理论的Hanbury-Brown-Twiss (HBT)结构形式[2]测量光子统计分布. 通过50/50光分束器把光束分为两束, 其中一束经过一个可调变的时间延迟装置, 由两个光电探测器分别接收后进入相关器进行处理, 从而获得两束光强度涨落的关联特性. 这种光子统计测量的方法是单光子源如单原子[3]、单分子[4]和量子点[5]研究中的重要测量手段, 同时在分子生物学[6]和生物化学[7]等学科领域有着广泛的应用. 分析光子统计特性普遍采用对二阶关联函数的测量, 即通过测量一定时间内的光子数和两通道光子事件之间的时间间隔[8], 利用时间幅度转换得到的峰值大小确定光子源的光子分布概率P S(n; n = 0, 1, 2), 计算Mandel参数Q. 但是这种开始-停止的测量方法不能给出光子数在时域上的起伏变化, 同时不能准确给出光子统计概率. 最近Roch小组[4]通过记录两个单光子计数器响应触发式单分子光源输出的每一个事件, 由大量光子计数事件获得统计分布概率P S(n), 直接测量Mandel 参数Q. 利用单光子计数器在死区时间(数十至数百纳秒)不对光子响应的特点,即在测量过程中单光子计数器首先对第1个到达的光子信号响应, 而对后续死区时间到达的光子没有反应, 使得在小于死区时间的取样时间内对每次光脉冲触发信号事件最多只能探测到一个光子. 研究得到基于HBT形式的单光子探测对具有Poisson 光子统计的相干态光脉冲的Mandel 参数Q C = ?n/2, n为平均光子数, 通过比较测得Q与Q C的大小分析单分子光源的光子统计分布特性. 单光子态的量子信息传输是量子密钥分配的物理基础[9]. 在量子密钥分配的实际应用方案中[9,10], 人们通常认为单模二极管激光的光子统计分布特性服从相干态Poisson分布, 通过不断衰减二极管激光强度以降低双光子和更多光子的分布概率, 把具有超低平均光子数(远小于1)的相干态近似为单光子态. 这里我们采用直接测量Q参数的方法研究单模二极管激光脉冲的光子统计分布特性. 通过测量比较连续二极管激光工作于不同驱动电流下强度噪声中的过剩噪声与散粒噪声基准, 研究二极管激光分别工作于阈值电流、强度噪声主要为过剩噪声和远高于阈值电流工作时强度噪声为散粒噪声基准的情况下经脉冲调制和强衰减后(脉冲持续时间10 ns, 平均光子数n≈0.1)的光子统计分布, 并首次给出了这种测量方法的误差分析. 1基于HBT结构的单光子探测与光子统计特性 为了研究光子数随时间的起伏变化, 我们首先给出W个取样周期内光子数随时间的起伏, 定义归一化相对涨落V W, V W ＜(?n)2＞W /＜n＞W, (1) 这里＜(?n)2＞w 2 1 ()/, W i W i n n W = ? ∑<>n i是第i个脉冲激发时探测到的光子数, ＜n＞W是W个激发周期内探测到的平均光子数. 对于＜n＞W = 0, V W定义为1. 对于光电计数为Poisson 分布时V W= 1, 相应V W < 1为Sub-Poisson分布, V W > 1为Super-Poisson 分布. 如图1所示. 如果考虑全部采样事件, 测量结果对应单一相对涨落V. 为了分析光子统计分布, 我们采用Mandel
1.5μm单光子探测器在激光遥感中的应用
1.5μm单光子探测器在激光遥感中的应用 单光子探测器作为最精密的测量仪器,可探测到光的最小单元,单个光子。单光子检测技术己广泛应用在激光雷达、分布式光纤探测器、生物荧光检测、量子信息、光学成像等领域。目前,1.5 μm波段单光子探测器主要包括超导纳米线单光子探测器、频率上转换单光子探测器、InGaAs/InP单光子雪崩二极管。1.5 μm波段气溶胶激光雷达具有人眼安全,大气透过率高,受瑞利散射干扰小,太阳背景辐射弱的优点。 本论文针对这三个探测器的特点,分别研制了不同类型的激光遥感设备。本论文的主要工作如下:1.研制了基于上转换单光子探测器的人眼安全1.5μm微脉冲气溶胶激光雷达。采用高探测效率和超低噪声的上转换单光子探测器,实现了大气回波信号的高信噪比探测。在脉冲能量为110μJ,望远镜口径100mm,时间分辨率5分钟,激光雷达实现了水平距离7km的大气气溶胶探测。 在验证实验中,上转换气溶胶激光雷达实现了对大气能见度的昼夜连续24 小时的观测。2.研制了 1.5μm波段的全光纤、微脉冲、人眼安全的高光谱分辨测风激光雷达。通过采用基于扫描Fabry-Perot干涉仪的高光谱分辨率技术,以及单光子检测技术,同时获得了大气气溶胶谱的频移和谱宽信息。在验证实验中,当时间分辨率1分钟时,水平探测距离达到4km。 在距离为1.8km的位置,距离分辨率由30m变换到60m。对比实验中,高光谱分辨测风激光雷达的径向风速测量结果与超声风场传感器Vaisala所得测量结果吻合。根据经验公式,风速的标准偏差在1.8km处为0.76m/s,光谱展宽的标准偏差在1.8km处为2.07MHz。3.研制了基于1.5 μm波段的结构紧凑、人眼安全、双边缘直接探测多普勒测风激光雷达。 通过采用全光纤保偏结构,保证了光学耦合效率,提高了系统稳定性。通过采用时分复用技术,仅采用单通道Fabry-Peort干涉仪和单通道上转换单光子探测器,实现了双边缘探测技术。校准实验中,系统的相对误差低于0.1%。验证实验中,双边缘测风激光雷达实现了连续48小时的大气的风场和能见度探测。 该激光雷达的测量结果与超声测风传感器具有很好的一致性,速度的标准偏差为1.04 m/s,方向的标准偏差为12.3°。4.研制了基于自由运行InGaAs/InP 单光子探测器的1.5气溶胶激光雷达。针对激光雷达应用,对自由运转单光子探
超导纳米线单光子探测技术进展
中国科学:信息科学2014年第44卷第3期:370–388 https://www.wendangku.net/doc/846051108.html, https://www.wendangku.net/doc/846051108.html, 超导纳米线单光子探测技术进展 尤立星xy x信息功能材料国家重点实验室,中国科学院上海微系统与信息技术研究所,上海200050 y中国科学院上海超导中心,上海200050 E-mail:lxyou@https://www.wendangku.net/doc/846051108.html, 收稿日期:2013–05–27;接受日期:2014–01–03 国家自然科学基金(批准号:91121022)、国家重点基础研究发展计划(批准号:2011CBA00202)、国家高技术研究发展计划(批准号:2011AA010802)和中国科学院战略性先导科技专项(B类)(批准号:XDB04010200,XDB04020100)资助项目 摘要超导纳米线单光子探测技术自2001年出现以来,已经成为超导电子学领域的一个热点研究方向.作为一种新型的单光子探测技术,其具有探测效率高、暗计数低、时间抖动小、计数率高、响应频谱宽、电路简单等优势,综合性能在近红外波段已经明显超越传统的半导体探测技术,成为一种主流的单光子探测技术.本文从应用基础角度出发,对超导纳米线单光子探测器件的材料、器件工艺、性能、系统集成以及前沿应用等进行介绍,并对国际上该领域研究未来的发展趋势进行探讨. 关键词单光子探测超导纳米线单光子探测量子通信探测效率暗计数时间抖动 1引言 探测技术是对于物质实现有效感知的技术,极限灵敏度探测能力是探测技术发展的终极目标.对于光来说,光能量的最小单位是一个光子,这是由量子理论确定的不可再分的量子极限.因此光探测能力的极限将是实现单个光子探测.单光子探测技术(single photon detector/detection,SPD)作为极限灵敏度光信号测量技术,在量子信息技术、物理、化学、生物和天文等领域具有不可替代的作用.特别是在量子信息领域,单光子探测技术已经成为该领域发展不可或缺的核心关键技术之一. 在量子信息、生物荧光分析、激光雷达等应用对SPD技术需求推动下,基于硅材料的雪崩光电二极管(APD),光电倍增管(PMT)等SPD技术发展迅速,已经出现一些较为成熟的商用半导体单光子探测器产品,著名的产品厂商包括德国PicoQuant公司、Excelitas公司、瑞士的ID Quantique 公司、法国AUREA公司和日本Hamamatsu公司等.这些SPD已经获得了较为广泛的应用.但是多数SPD只能工作在可见光区域.近红外波段很多应用(光纤量子通信等)对在近红外波段工作的SPD提出了迫切的需求.基于Si的APD和PMT由于材料禁带宽度的制约无法实现近红外波段单光子的有效探测.为此发展了基于窄禁带半导体材料InGaAs/InP的SPD1).其典型探测效率在1550nm可达到20%,但是其暗计数率通常很高(10KHz左右),且计数率低,时间抖动较大,整体性能和可见光波段SPD相差甚远.因此亟需发展新型近红外波段高性能单光子探测技术.在此背景下,很多近红外波段新型单光子探测技术应运而生,包括频率上转换探测[1],量子点探测器[2]以及 1)Website:https://www.wendangku.net/doc/846051108.html,/en/
光子探测器的应用及行业发展
光子计数探测器的应用 混合像素探测器，为您的实验室精心准备 PILATUS混合像素探测器的设计从理论到现实均达到最佳的数据质量X射线检测。他们带来了两项关键技术，单光子计数和混合像素技术相结合，同步到您的实验室。单光子计数消除所有探测器噪声，并提供卓越的数据。在收集数据时，读数无噪音和暗电流的消失特别具有优势：在实验室中的X射线光源比同步加速时要弱很多，需要更长的曝光时间，并导致较弱的信号。由于没有了暗电流和读数噪音， PILATUS探测器更加适合在实验室使用。混合像素技术可以直接检测X射线，与其他任何探测器技术相比实现了更清晰，更好地解决信号传输问题。加上读取时间短和连续采集的特点，PILATUS探测器可以高效提供优质数据。低功耗和冷却需求，给你一个无忧的、维护量极小探测器系统，。PILATUS探测器系列是专为您在实验室中的需求定制，并提供同步加速器的技术，有无与伦比的价值。利用PILATUS独特的功能，可以从你的最具挑战性的样品获得最佳的数据。 针对您的需求 PILATUS探测器成功推动和同步加速器光束线。PILATUS的独特功能在实验室和相关产业的优势也很明显。根据您在实验室的需求，现在PILATUS的产品阵容，辅以一系列的PILATUS探测器，。固定能量校准和简化的读数电子器件完美匹配了实验室相关要求而且PILATUS完全符合您的预算。混合像素技术和单光子计数，关键的技术，优质的数据和高效率，完全无障碍实施是PILATUS探测器的优势。越来越多的实验室和工业应用的仪器可配备或升级了PILATUS探测器。根据自己的设置或利益自由整合PILATUS，可以从一个现成的仪器变成一个PILATUS OEM合作伙伴
单光子探测器应用
单光子探测技术典型应用 单光子探测是一种探测超低噪声的技术，增强的灵敏度使其能够探测到光的最小能量量子——光子。单光子探测器可以对单个光子进行计数，实现对极微弱目标信号的探测，因此也活跃在许多可获得的信号强度仅为几个光子能量级的新兴应用领域中。 人眼安全激光雷达 激光雷达是一种基于光学探测与测距的光学遥感技术，实用窄线宽短脉冲激光在大气中进行光子激射从而产生背向散射。接收这些微弱的背向散射信号需要用到单光子计数器等高灵敏度的光学探测设备。今天，激光雷达活跃在污染监测，空气质量分析，气候学等很多领域。 激光雷达典型应用 量子密码学／量子密钥分配 量子密码学／量子密钥分配是一种非常前沿的技术，它利用量子物理特性获得传统技术无法企及的安全传输保证。这种技术基于量子原理将秘钥安全保密的分配给通信双方。同光纤通信技术相结合，实现量子密钥分配需要将光信号能量降低至光子水平，因此，高精度的光子探测设备是必须的。在此类应用里，单光子源／双光子纠缠源，单光子计数器都需要用到。特别是单光子计数器，它不仅能够接收极低水平的量子密钥信号，还能够探测不明侵入，从而保障系统安全。 量子通信
光子源特性测试 随着量子物理技术、非线性技术和量子点技术的进步和发展，单光子源和光子纠缠源的开发需求日益增多。在这些设备的开发过程中，需要高灵敏度的检测手段来对其进行特性分析和测试，单光子计数器就是一种有效的手段。 荧光测量 莹光时间测量技术（Fluorescence Timing Measurement）被应用在很多科研和工业领域，例如：分子特性，纳米技术和成像显微技术等等。莹光信号是一种非常微弱的光信号，因此需要非常灵敏的光学探测器进行探测，单光子计数器就是不二之选。
单光子探测器及其发展
单光子探测器及其发展 摘要：本文介绍了光电倍增管单光子探测器、雪崩光电二极管单光子探测器和真空单光子探测器以及它们的基本工作原理和特性，分析了它们各自的优缺点和未来的发展方向。 关键词：单光子探测；光电倍增管（PMT）；雪崩光电二极管（APD）；真空雪崩光电二极管（VAPD） 中图分类号：TP21.14 文献标识码：A 一、引言 单光子探测技术在高分辨率的光谱测量、非破坏性 物质分析、高速现象检测、精密分析、大气测污、生物 发光、放射探测、高能物理、天文测光、光时域反射、 量子密钥分发系统等领域有着广泛的应用。由于单光子 探测器在高技术领域的重要地位，它已经成为各发达国 家光电子学界重点研究的课题之一。 二、单光子探测器的原理及种类 单光子探测是一种极微弱光探测法，它所探测的光的光电流强度比光电检测器本身在室温下的热噪声水平（10-14W）还要低，用通常的直流检测方法不能把这种湮没在噪声中的信号提取出来。单光子计数方法利用弱光照射下光子探测器输出电信号自然离散的特点，采用脉冲甄别技术和数字计数技术把极其弱的信号识别并提取出来。这种技术和模拟检测技术相比有如下优点[1]： （1）测量结果受光电探测器的漂移、系统增益变化以及其它不稳定因素的影响较小； （2）消除了探测器的大部分热噪声的影响，大大提高了测量结果的信噪比；（3）有比较宽的线性动态区； （4）可输出数字信号，适合与计算机接口连接进行数字数据处理。 入射的光子信号打到光电倍增器件上产生光电子，然后经过倍增系统倍增产生电脉冲信号，称为单光子脉冲。计数电路对这些脉冲的计数率随脉冲幅度大小的分布如图1所示。脉冲幅度较小的脉冲是探测器噪声，其中主要是热噪声；脉冲幅度较大的是单光电子峰。V h为鉴别电平，用它来把高于V h的脉冲鉴别输出，以实现单光子计数。 可用来作为单光子计数的光电器件有许多种，如光电倍增管（PMT）、雪崩光电二极管（APD）、增强型光电极管（IPD）、微通道板（MCP）、微球板（MSP）和真空光电二极管（VAPD）等。 1、光电倍增管（PMT）单光子探测器 光电倍增管是利用光的外光电效应的一种光电器件，主要由光电阴极和打拿极构成。其工作原理如下：首先光电阴极吸收光子并产生外光电效应，发射光电子，光电子在外电场的作用下被加速后打到打拿极并产生二次电子发射，二次电子又
单光子探测器
单光子探测器 单光子探测器是进行光子探测的实验设备，它通常只能探测光子的有或者没有，不能直接给出光量子态的完整信息，要想从探测结果来重构光量子态信息，需要结合其他的理论和实验手段。目前在可见和红外波段，单个光子的能量约为10-19 J，实现对如此低能量粒子的准确探测是很有挑战的工作。早期的单光子主要是光电倍增管，随着材料科学和量子信息科学的发展，单光子探测器的类型也逐渐丰富起来，这里主要介绍单光子探测器性能的主要指标：特征波长范围，死时间，暗计数，探测效率，时间抖动，光子数分辨能力。 探测器的特征波长范围指的是探测器能够响应的光谱频率范围。目前的单光子探测器都只对某一波段的光子敏感，这是由探测器的制作材料及加工工艺决定的，而探测器的光谱响应特性也决定了它的应用范围。例如对自由空间的量子通信来说，使用的光子波长主要集中在可见光波段400nm-1060nm或者近红外波段900nm-1700nm，需要对这一波段较敏感的探测器;而对于光通信来说，由于光纤在1550nm这个波长具有最小的损耗，所以对基于光纤的量子信息网络，探测器必须对1550nm光子有足够高的探测效率。 当探测器探测到一个光子之后，在一定的时间内，探测器不能响应新的光子，这一段时间称为探测器的死时间，一般来说死时间越短越好。在当前的技术条件下，死时间取决于探测器的电子学后处理系统而非探测器的感光材料。例如，对于基于雪崩二极管的单光子探测器，当探测器探测到一个光子之后，探测器需要抑制这个信号带来的后脉冲信号，这样就必须将探测器关断一段时间，等到前一个探测器的后脉冲信号基本消除之后才能重新开启，这一段时间就是雪崩二极管的单光子探测器的死时间，可见光波段400nm-1060nm探测器的死时间一般固定为33ns,近红外波段900nm-1700nm探测器的死时间一般从500ns到1ms可调，死时间决定了探测器的最大计数率。 当没有光子进入探测器时，探测器仍然有计数率，这就是暗计数。暗计数是由于感光材料的缺陷，电压偏置和外界环境的干扰比如温度，湿度，热噪声等因素引起的。暗计数对实验的信噪比有直接影响，因此降低暗计数是单光子探测器发展的重要目标。现在法国Aurea Technology的单光子探测器暗计数可以做到小于25cps（世界第一）. 探测效率指的是当有光子进入探测器的时候，它被探测到的概率。目前商用探测器的最大探测效率约为70%，如Aurea Technology生产的SPD_A_VIS.提高探测效率在
光子探测器
单光子探测器 基本概念 单光子探测器：（SPD）是一种超低噪声器件，增强的灵敏度使其能够探测到光的最小能量量子——光子。单光子探测器可以对单个光子进行探测和计数，在许多可获得的信号强度仅为几个光子能量级的新兴应用中，单光子探测器可以一展身手。 光子，是光的最小能量量子。单光子探测技术，是近些年刚刚起步的一种新式光电探测技术，其原理是利用新式光电效应，可对入射的单个光子进行计数，以实现对极微弱目标信号的探测。 光子计数也就是光电子计数，是微弱光（低于10－14W）信号探测中的一种新技术。 研究背景 通常的直流检测方法不能把淹没在噪声中的信号提取出来。微弱光检测的方法有：锁频放大技术、锁相放大技术和单光子计数方法。最早发展的锁频，原理是使放大器中心频率f0与待测信号频率相同，从而对噪声进行抑制。但这种方法存在中心频率不稳、带宽不能太窄、对待测信号缺乏跟踪能力等缺点。后来发展了锁相，它利用待测信号和参考信号的互相关检测原理实现对信号的窄带化处理，能有效的抑制噪声，实现对信号的检测和跟踪。但是，当噪声与信号有同样频谱时就无能为力，另外它还受模拟积分电路漂移的影响，因此在弱光测量中受到一定的限制。单光子计数方法，是利用弱光照射下光电倍增管输出电流信号自然离散化的特征，采用了脉冲高度甄别技术和数字
计数技术 光子计数原理 1、光子 光是由光子组成的光子流，光子是静止质量为零、有一定能量的粒子。与一定的频率υ相对应，一个光子的能量E p可由下式决定： E p=hυ=hc/λ（15－1） 式中c=3×108m/s，是真空中的光速；h＝6.6×10－34J·s，是普朗克常数。例如,实验中所用的光源波长为λ＝5000?的近单色光，则E p =3.96×10－19J。光流强度常用光功率P表示，单位为W。单色光的光功率与光子流量R（单位时间内通过某一截面的光子数目）的关系为： P＝R·E p （15－2）所以，只要能测得光子的流量R，就能得到光流强度。如果每秒接收到R＝104个光子数，对应的光功率为P＝R?E p＝104×3.96×10－19＝3.96×10－15W。 2、测量弱光时光电倍增管输出信号的特征 在可见光的探测中，通常利用光子的量子特性，选用光电倍增管作探测器件。光电倍增管从紫外到近红外都有很高的灵敏度和增益。当用于非弱光测量时，通常是测量阳极对地的阳极电流(图15－1（a）)，或测量阳极电阻R L上的电压(图15－1（b）)，测得的信号电压（或电流）为连续信号；然而在弱光条件下，阳极回路上形成的是一个个离散的尖脉冲。为此，我们必须研究在弱光条件下光电倍增
单光子探测提高探测距离和灵敏度
单光子探测器能够探测到光的最小能量量子——光子。单光子探测器可对单个光子进行探测和计数，在信号强度仅为几个光子能量级的条件下，单光子探测器的作用十分巨大。（资料图） 光子，是光的最小能量量子。单光子探测技术，是近些年刚刚起步的一种新式光电探测技术，其原理是利用新式光电效应，可对入射的单个光子进行计数，以实现对极微弱目标信号的探测。有关专家认为，单光子探测技术能将现有的机载光电探测距离从几十公里提高到几千公里，势必带来机载目标探测系统的革命，极大地改变未来空天战场的作战方式。 隐身飞机将无处“隐身”。F－22、B－2等飞机高超的隐身性能，几乎使现役雷达和光电探测系统变成“瞎子”。但单光子探测系统极高的探测灵敏度，即使对F－22、B－2这样的隐身飞机，作用距离也可达到几百到几千公里，可在极远距离上发现隐身飞机，使其“无处遁形”。空战将从“中距”拉向“远距”。配装单光子探测系统的作战飞机，由于对空目标探测距离极远，将使空中作战从目前的中距进一步扩为远距。如：配挂单光子超远程空空导弹，火力攻击距离可达到几百到几千公里之外。空中战争将从传统的几十公里的超视距作战变为间隔几千公里的非接触战争。 “全球感知，全球打击”成为可能。利用空中平台或临近空间平台配装单光子探测系统，构建单光子探测网络，只需几部单光子探测系统就可实现对领空的全域覆盖。在此基础上用地面或空中远程导弹构建空中地面联合火力网，把单光子探测网络作为网络中心战的目标探测网络系统，可对任何位置（地面或空中）发射的导弹进行目标指引，有效攻击全球目标，实现“全球感知，全球打击”。（曾尧徐文）
单光子探测技术，极大提高了传感器的灵敏度，使一些以往难以涉及的观测领域向人类开放，在生物光子学、医学影像、非破坏性材料检查、国土安全与监视、军事视觉与导航、量子成像以及加密系统等方面有很高价值。图为单光子探侧技术的部分应用原理图。（资料图）
超导纳米线单光子探测器的原理特点以及应用
超导纳米线单光子探测器的原理特点以及应用 ?超导纳米线单光子探测器（SNSPD：Superconducting nanowire single-photon detector）作为一种高性能的单光子探测器，已经广泛的应用于量子信息、激光雷达、深空通信等领域，有力推动了相关领域的科技发展。SNSPD 器件主要有两种光耦合方式，一种是垂直光耦合方式，光纤端面平行于SNSPD光敏面，光子垂直入射到纳米线上，采用光学腔体或者反射镜结构实现高效光耦合。利用该类耦合结构，上海微系统所已实现NbN基SNSPD系统探测效率超过90%，相关结果发表后受到了国内外广泛关注。该光耦合结构的特点是，可以实现高光耦合效率，但是受限于光耦合结构，工作波长范围受限。另外一种光耦合方式是波导光耦合方式，将纳米线制备在光波导上，可以实现高效的本征吸收。但是光纤到波导的耦合效率较低，使得这类器件仅能作为片上光子学的解决方案，无法作为独立单光子探测器使用。上海微系统所/中国科学院超导电子学卓越创新中心尤立星研究员团队和浙江大学方伟、童利民教授团队合作，首次提出了微纳光纤耦合的SNSPD器件结构。该结构将SNSPD器件置于微纳光纤的倏逝场内，从而实现纳米线对微纳光纤中传输的光子吸收。光学计算显示，该类结构有望实现高吸收效率的同时，保持很好地宽谱特性【Optics Communications 405: 48-52. (2017)】。经过上海微系统所巫君杰博士和浙江大学徐颖鑫博士等近3年实验探索，团队终于成功研制微纳光纤耦合SNSPD器件。在1550 nm/1064 nm工作波长，系统探测效率分别达到20%/50%。相关成果近日发表于Optics Express。该结果有望在新型SNSPD器件及微纳光纤领域开辟新的研究方向。该工作得到了本文工作获得了国家重点研发计划项目“高性能单光子探测技术”
光子计数探测器
PILATUS光子计数探测器 混合像素探测器，为您的实验室精心准备 PILATUS混合像素探测器的设计从理论到现实均达到最佳的数据质量X射线检测。他们带来了两项关键技术，单光子计数和混合像素技术相结合，同步到您的实验室。单光子计数消除所有探测器噪声，并提供卓越的数据。在收集数据时，读数无噪音和暗电流的消失特别具有优势：在实验室中的X射线光源比同步加速时要弱很多，需要更长的曝光时间，并导致较弱的信号。由于没有了暗电流和读数噪音， PILATUS探测器更加适合在实验室使用。混合像素技术可以直接检测X射线，与其他任何探测器技术相比实现了更清晰，更好地解决信号传输问题。加上读取时间短和连续采集的特点，PILATUS探测器可以高效提供优质数据。低功耗和冷却需求，给你一个无忧的、维护量极小探测器系统，。PILATUS探测器系列是专为您在实验室中的需求定制，并提供同步加速器的技术，有无与伦比的价值。利用PILATUS独特的功能，可以从你的最具挑战性的样品获得最佳的数据。 针对您的需求 PILATUS探测器成功推动和同步加速器光束线。PILATUS的独特功能在实验室和相关产业的优势也很明显。根据您在实验室的需求，现在PILATUS的产品阵容，辅以一系列的PILATUS探测器，。固定能量校准和简化的读数电子器件完美匹配了实验室相关要求而且PILATUS完全符合您的预算。混合像素技术和单光子计数，关键的技术，优质的数据和高效率，完全无障碍实施是PILATUS探测器的优势。越来越多的实验室和工业应用的仪器可配备或升级了PILATUS探测器。根据自己的设置或利益自由整合PILATUS，可以从一个现成的仪器变成一个PILATUS OEM合作伙伴
基于CMOS工艺SPAD的单光子探测技术研究
基于CMOS工艺SPAD的 单光子探测技术研究 重庆大学硕士学位论文 (学术学位) 学生姓名：闫旭亮 指导教师：孟丽娅副教授 专业：仪器科学与技术 学科门类：工学 重庆大学光电工程学院 二O一五年五月1 中央高校科研基本业务费资助项目(CDJZR12120001)
Study on single-photon detector Based on CMOS Technology Single-Photon Avalanche Diode A Thesis Submitted to Chongqing University In Partial Fulfillment of the Requirement for the Master’s Degree of Engineering By Yan Xuliang Supervised by Associate Prof. Meng Liya Specialty: Instrument Science and Technology College of Optoelectronic Engineering of Chongqing University, Chongqing, China May, 20152 Supported by CDJZR(No.12120001)
中文摘要 摘要 光在极其微弱时会离散成一个个的光子，称为单光子。单光子信号由于强度微弱且粒子性显著，常规技术难以对其检测，被认为是光电探测技术的极限。同时单光子信号又是一种普遍存在的信息载体，在日常生活、工业生产、科学研究以及国防军事等各方面都有着广泛应用，因而近年来受到研究人员重视。 单光子探测技术主要体现在以下几方面：有极高增益的单光子探测器件，控制单光子探测器件并对信号进行处理的快速电路，器件和电路的集成技术，大规模像元阵列的制作及拼接。目前在单光子探测方面亟待解决的问题有：单光子探测器工艺复杂、工作电压高、价格昂贵、重复性差，外围电路响应速度慢、版图面积大，对单光子探测器和相关电路的混合拼接易导致性能下降、噪声变大。 为解决上述问题，本文在中央高校基本业务费资助项目(NO.12120001)支持下，对单光子探测技术进行了研究。文章选用实验室设计的带保护环结构的CMOS工艺兼容的雪崩光电二极管作为单光子探测器件，对雪崩光电二极管的工作原理和相关参数进行了介绍。用等效电路模型代替雪崩光电二极管在软件中进行仿真，分析比较了雪崩光电二极管的三种淬灭模式，选择主动淬灭电路控制雪崩光电二极管，用高速电压比较电路作为雪崩信号甄别电路，设计了数字和模拟结构的计数电路。在此基础上完成了单光子探测像元电路，包括雪崩光电二极管等效电路、淬灭复位电路、雪崩信号甄别电路、光子计数电路等。仿真结果显示电路探测速度可达5ns，淬灭电路死时间约2.690ns，从光子信号进入到计数完成整体电路传输延时约3.0572ns，计数电路在线性模式下的计数容量为55。此外，还对时间相关单光子计数的原理和基本电路结构进行介绍，用高速电压比较电路进行光子到达定时，阐述几种时间数字转化技术，设计了基于S-R锁存器的时间放大电路和基于电流偏置比例的时间放大电路。 关键词：单光子探测，雪崩光电二极管，光子计数，时间相关单光子计数 I