中红外波段雪崩光子探测器研究进展
InGaAs(P)InP近红外单光子探测器暗计数特性研究.doc
InGaAs(P)/InP近红外单光子探测器暗计数特性研究基于InGaAs(P)/InP 雪崩光电二极管(Single Photon Avalanche Diodes,SPADs)的近红外单光子探测器具有功耗低、不需超低温制冷、可靠性高、使用简单、易集成、近红外探测效率高等优点,在光通讯波段(1310 nm、1550 nm)量子密钥分发(QKD)、激光测距(1064nm、1550nm)等前沿领域有着迫切的应用需求,但其暗计数特性对应用有诸多限制。
InGaAs(P)/InPSPAD基近红外单光子探测器主要包括InGaAs(P)/InP SPAD及其驱动电路,二者的性能均可影响探测器性能。
本论文主要针对InGaAs(P)/InP SPAD基近红外单光子探测器的暗计数特性及其影响因素、InGaAs(P)/InPSPAD暗电流特性及其影响因素进行深入研究,探索二者关联特性,为SPAD器件及单光子探测器的性能优化提供指导。
搭建SPAD 器件变温测试平台对SPAD暗电流特性进行了研究;搭建激光束诱导电流(LBIC)测试系统对SPAD器件的响应均匀性及其边缘击穿特性进行了研究;研制SPAD器件单光子探测性能测试装置对不同SPAD器件对应单光子探测器的暗计数特性进行了研究。
对SPAD器件暗电流特性及其对应单光子探测器的暗计数关联性进行探索,研究发现SPAD雪崩击穿偏压处的暗电流斜率与相应单光子探测器的暗计数相关,斜率较小时相应的暗计数较小;暗电流与暗计数存在抖动情况,此抖动均与温度呈负相关,与过偏压无关。
目前对暗计数特性的研究主要集中于影响机制,并未发现对上述结果的报导。
雪崩二极管的单光子探测及其噪声分析
基于InG aAs/InP雪崩二极管的单光子探测及其噪声分析单光子探测器是能够进行二极管单光子级别探测的器件，逆变器很多光学技术都在追求单光子级别的探测能力，由于这种技术包含对于少数甚至单个光子的探测的可行性的物理过程，因此目前有很多基于这项技术[(8l的实际应用，而且目前量子密钥分发的成功本质上是由于量子通信中的关键器件单光子探测器的单光子探测能力[9]，因此，单光子探测技术被称为量子信息中的关键技术。
除了量子密钥分发，单光子探测还应用于其他光学领域如量子计算〔lOJ和量子物理中一些基本原理的研究[[11]中。
而且单光子探测器还成功的运用于光时域反射计【12-13]，半导体材料研究，天文学应用中的微弱成像，单光子三维雷达成像[[14]，电器甚至还可以在利用漫反射光谱技术的基础上进行人类脑部探测活动[’习。
单光子探测器还可以用于检测快速光信号，如使用时间相关的单光子计数[16-17]的荧光快速衰减的研究。
由于单光子探测器在很多领域的重要应用，已经有很多机构、逆变器实验室在研究该项技术，目前已经产生了很多可用于单光子探测的器件，而一个比较理想的单光子探测器其应该满足一下条件:1)能以相同的效率在不同的通讯波段波长下探测光子，二极管同时在没有光子到达时器件本身产生的噪声应该尽可能小，以保证探测器能有稳定良好的探测性能。
2)整个系统时间抖动应该尽可能小。
3)为了允许高重复频率，单光子探测器件如雪崩二极管的恢复时间也就是死时间应该尽可能短。
4)同时二极管应该具有实用性，这样才有可能用于商业用途。
目前有很多光电器件可以用于单光子探测，比如光电倍增器PMT，雪崩光电二极管和超导单光子探测器。
超导转变边缘传感器由运行在正常和二极管超导状态间狭窄的温度区域中的超导膜构成，具有探测效率高、暗计数率低和时间抖动性小的优点。
电器TES采用超导薄膜作为检测器元件，在TES中，电阻将会根据温度的变化而产生突然变化。
TES偏置电压主要是由于光子入射加热装置导致，通过SQUID放大器读出的信号与入射光子的能力by成正比。
InGaAs_InPAPD探测器光电特性检测
将偏微分方程转化为可求解的线性代数方程组。
2.2 获得倍增因子M=1的 IP0 的方法 倍增因子定义为在完全相同的注入条件下，有
雪崩增益时通过器件的电流与无雪崩增益时通过器 件的电流之比。
在实际器件中，获得的最高直流倍增因子受串
联电阻的空间电荷效应限制，这些因素可以合并成
wi为权重，达到最小。使用Q→min为标准的拟合称 为最小二乘法。使用最小二乘原理处理非线性曲线
拟合，令权重wi=1，非线性曲线拟合的数学表达为： 已知一组数据{xi，yi}，i=1,2,…, n，满足已知方程形 式f(xi, bj)，j=1,2,…,m，求解{bj}，使其满足
n
∑ Q = [ yi − f (xi ,bj )]2 → min ，即求解 ∂Q / ∂bj = 0 。 i =1
=
I0 P0
+ ∆IP0
。
3 测量
本文研究了台面型InP/InGaAs APD静态光电特
性。该APD的光敏面直径为500 µm，光照下的电流
与电压关系曲线及无光照下的暗电流与电压关系曲
线如图1所示，将有光照与无光照时候相同偏压下的
电流值相减得到的电流即为光电流。图1还显示了倍
增因子与偏压的关系，其中，实线对应由实验测量
中图分类号 TN312+.7
文献标识码 A
Measurement of the Static Optoelectronic Characteristics of InGaAs/InP Avalanche Photodiode
XIAO Xue-fang1, YANG Guo-hua1, GUI qiang1, WANG Guo-hong1, MA Xiao-yu1, CHEN Chao2, and CHEN Liang-hui1
焦平面APD探测器的国内外技术现状和发展趋势
红外焦平面探测器的国内外技术现状和发展趋势一、焦平面APD探测器的背景及特点焦平面APD探测器主要是由：APD阵列和读出电路(ROIC)两部分组成，其中APD是核心元件。
1、APD雪崩光电二极管（APD）是一种具有内部增益的半导体光电转换器件，具有量子响应度高、响应速度快、线性响应特性好等特点，在可见光波段和近红外波段的量子效率可达90%以上，增益在10～100倍，新型APD材料的最大增益可达200倍，有很好的微弱信号探测能力。
2、APD阵列的分类按照APD的工作的区间可将其分为：Geiger-modeAPD（反向偏压超过击穿电压）和线性模式APD（偏压低于击穿电压）两种。
（1）Geiger-modeAPD阵列的特点优点：1）极高的探测灵敏度，单个光子即可触发雪崩效应，可实现单光子探测；2）GM-APD输出信号在100ps量级，即有高的时间分辨率，进而有较高的距离分辨率，厘米量级；3）较高的探测效率，采用单脉冲焦平面阵列成像方式；4）较低的功耗，体积小，集成度高；5）GM-APD输出为饱和电流，可以直接进行数字处理，读出电路(ROIC)不需要前置放大器和模拟处理模块，即更简单的ROIC。
缺点：1）存在死时间效应：GM-APD饱和后需要一定时间才能恢复原来状态，为使其可以连续正常工作需要采用淬火电路对雪崩进行抑制。
2）GM-APD有极高的灵敏度，其最噪声因素更加敏感，通道之间串扰更严重。
（2）线性模式APD阵列的特点优点：1）光子探测率高，可达90%以上；2）有较小的通道串扰效应；3）具有多目标探测能力；4）可获取回波信号的强度信息；5）相比于GM-APD，LM-APD对遮蔽目标有更好的探测能力。
缺点：1）灵敏度低于GM-APD；（现今已经研制出有单光子灵敏度的LM-APD）2）读出电路的复杂度大于GM-APD（需对输入信号进行放大、滤波、高速采样、阈值比较、存储等操作）。
（其信号测量包括强度和时间测量两部分）按照基底半导体材料APD可分为：SiAPD、GeAPD、InGaAsAPD、HgCdTeAPD。
雪崩探测器工作原理
雪崩探测器工作原理一、引言雪崩效应是指在某些半导体器件中，当电压达到一定值时，电子与空穴会在PN结中不断地产生新的电子和空穴，进而形成一种自我放大的效应。
这种现象会导致器件损坏或失效。
因此，为了保护电路和设备，需要使用雪崩探测器来检测并及时采取措施。
二、雪崩探测器的基本原理雪崩探测器利用了PN结在特定条件下的雪崩效应来检测高压和高能粒子。
当高能粒子穿过PN结时，会产生大量的载流子，从而引发雪崩效应。
这种效应会使得PN结中形成一个较大的电流脉冲，并且具有很短的上升时间和下降时间。
通过检测这个脉冲信号可以判断是否存在高能粒子。
三、PN结的工作原理PN结是由P型半导体和N型半导体组成的结构。
P型半导体中含有大量的空穴，而N型半导体中含有大量的自由电子。
当两种材料接触时，由于电荷分布的不平衡，会形成一个电场。
这个电场会阻碍空穴和自由电子的扩散，从而形成一个耗尽层。
在耗尽层中，P型半导体中的空穴与N型半导体中的自由电子发生复合，形成了一个正负离子对。
这个过程会使得PN结中出现一个内建电场。
四、雪崩效应的产生当PN结加上反向偏置电压时，内建电场会使得空穴和自由电子在耗尽层中加速运动。
当它们获得足够的能量时，就可以撞击晶格原子，从而产生新的空穴和自由电子。
这些新的载流子又会继续加速，并撞击更多的晶格原子，形成更多的载流子。
这种效应一直持续下去，直到PN结中出现一个较大的电流脉冲。
五、雪崩探测器的工作原理雪崩探测器通常是由PN结和前置放大器组成。
当高能粒子穿过PN结时，会在其中产生大量载流子，并引发雪崩效应。
这个效应产生了一个较大的电流脉冲信号，在前置放大器中被放大，从而产生一个可以被检测的信号。
通过检测这个信号的幅度和时间可以判断是否存在高能粒子。
六、雪崩探测器的特点雪崩探测器具有很高的灵敏度和时间分辨率。
它们可以检测到非常小的能量沉积，并且可以在纳秒级别内响应。
此外，它们还具有很好的线性响应和稳定性。
然而，它们也有一些缺点，比如需要高压偏置、温度敏感等。
apd的单光子计数模块
apd的单光子计数模块APD的单光子计数模块是一种用于检测和计数光子的高精度测量装置。
APD代表雪崩光电二极管（Avalanche Photodiode），它是一种特殊的光电二极管，具有很高的增益和灵敏度，可用于单光子探测。
在本文中，我们将逐步介绍APD的单光子计数模块，探讨其工作原理、应用领域和优势等方面内容。
第一部分：APD的工作原理APD是一种结构与普通光电二极管类似的器件，但具有一个重要的区别：内置了增益机制。
这种增益机制被称为雪崩效应，是APD实现高增益和单光子探测能力的关键。
当光子进入APD时，它会被光电二极管中的半导体材料吸收，并产生电子-空穴对。
在正向偏置情况下，这些电子-空穴对将会被电场加速，并在碰撞过程中产生更多电子-空穴对。
这样的二次电子-空穴对产生过程会引起雪崩效应，使得电子-空穴对的数量指数级增加。
最终，这些电子将被收集到二极管的电极上，并产生一个检测信号。
APD的工作原理决定了它可以检测到单个光子的能力。
由于雪崩效应的存在，即使只有一个光子击中APD，也可以引发足够的增益和信号，以便进行计数和测量。
这使得APD成为一种非常重要的工具，用于研究量子光学、量子信息以及其他需要进行精确光子计数的领域。
第二部分：APD的应用领域APD的单光子计数模块在众多领域中得到了广泛应用。
以下是几个典型的应用领域：1. 量子光学和量子信息：在量子光学和量子信息科学中，研究人员通常需要测量和控制单个光子。
APD的单光子计数模块可以提供高精度的光子计数，从而帮助科学家们更好地理解光子的量子性质和应用。
2. 生物医学影像和分析：在生物医学领域中，APD被广泛应用于光学成像、荧光探测和单分子动力学研究等领域。
其高灵敏度和高计数速度使得APD在这些应用中成为理想的工具。
3. 激光雷达和光通信：APD广泛应用于激光雷达系统和光通信网络中。
它们可以用于检测和计数回波光子，从而实现高分辨率的目标检测和数据传输。
焦平面APD探测器地国内外技术现状和发展趋势
红外焦平面探测器的国内外技术现状和发展趋势一、焦平面APD探测器的背景及特点焦平面APD探测器主要是由：APD阵列和读出电路(ROIC)两部分组成，其中APD是核心元件。
1、APD雪崩光电二极管（APD）是一种具有内部增益的半导体光电转换器件，具有量子响应度高、响应速度快、线性响应特性好等特点，在可见光波段和近红外波段的量子效率可达90%以上，增益在10～100倍，新型APD材料的最大增益可达200 倍，有很好的微弱信号探测能力。
2、APD阵列的分类按照APD的工作的区间可将其分为：Geiger-mode APD（反向偏压超过击穿电压）和线性模式APD（偏压低于击穿电压）两种。
（1）Geiger-mode APD阵列的特点优点：1）极高的探测灵敏度，单个光子即可触发雪崩效应，可实现单光子探测；2）GM-APD输出信号在100ps量级，即有高的时间分辨率，进而有较高的距离分辨率，厘米量级；3）较高的探测效率，采用单脉冲焦平面阵列成像方式；4）较低的功耗，体积小，集成度高；5）GM-APD输出为饱和电流，可以直接进行数字处理，读出电路(ROIC)不需要前置放大器和模拟处理模块，即更简单的ROIC。
缺点：1）存在死时间效应：GM-APD饱和后需要一定时间才能恢复原来状态，为使其可以连续正常工作需要采用淬火电路对雪崩进行抑制。
2）GM-APD有极高的灵敏度，其最噪声因素更加敏感，通道之间串扰更严重。
（2）线性模式APD阵列的特点优点：1）光子探测率高，可达90%以上；2）有较小的通道串扰效应；3）具有多目标探测能力；4）可获取回波信号的强度信息；5）相比于GM-APD，LM-APD对遮蔽目标有更好的探测能力。
缺点：1）灵敏度低于GM-APD；（现今已经研制出有单光子灵敏度的LM-APD）2）读出电路的复杂度大于GM-APD（需对输入信号进行放大、滤波、高速采样、阈值比较、存储等操作）。
（其信号测量包括强度和时间测量两部分）按照基底半导体材料APD可分为： Si APD、Ge APD、InGaAs APD、HgCdTe APD。
吸收层与倍增层分离的4H-SiC雪崩光电探测器
度 分别 为 ０ ２ ． ５和 １ ｒ． 用 ｍｕｔ ｌ ｊｎ ｔ ｎｔｒ ｎ ｔ ｎｅ ｔｎｉｎ（ Ｔ ） 法 减 少 器 件 的 电流 集 边 效 应 和器 件 ｉ ｆ 采 ｅ ｌｐｅ ｕ ｃｉ ｍｉａｉ ｘｅ ｓ ｉ ｏ ｅ ｏ ｏ ＭＪ Ｅ 方
表面 电场 ． 对器件的暗电流 、 光电流和光谱响应进行 了测量 ． 件在 ５ Ｖ的低击 穿电压 下获得 了一个 高的增益 （ 器 ５ ＞
１ ； ０ ） 穿通前器件 暗电流约为 １ ｐ ０ Ａ数量级 ；Ｖ偏压下 器件光谱响 应的紫外可见 比大于 １ 。 光谱 响应 的峰值波长 ０ Ｏ．
随 反 向偏 压 的增 大 而 向 短波 方 向 移 动 ， 击 穿 电 压 附 近 光 谱 响 应 的 峰 值 波 长 移 到 ２ ０ ｍ， 波 长 远 远 小 于 在 ０ 时 在 １ｎ 此 Ｖ
２ 器 件 设 计 与 制 备
２ １ 器 件 设 计 ．
雪 崩 型探 测器 既可 以提 高器 件 的量子 效率 又可 以 降 低 器件 的击 穿 电压 ， 雪 崩 探 测 器 中一种 比较 好 的 是 设 计结 构 ． ｎ等人 ｒ 曾 经报 道 了 此 种结 构 的 ４ Ｙａ ７ Ｈ．
朱会丽 陈厦平 吴正云
（ １厦 门 大 学 物 理 系 ，３ １０ 厦 门 ） ６０ ５
（ ２厦 门大 学 微 机 电 中 心 ， ：设 计 和 制备 了 吸 收 层 和 倍 增 层 分 开 的 ４ ＳＣ 穿通 型 雪 崩 紫 外 光 电探 测 器 ． 计 器 件 的 倍 增 层 和 吸 收 层 厚 Ｈ－ｉ 设
文 章 编 号 ：０ ５ ． １ ７ ２ ０ ） ２ ０ ８ ．５ ２ ３４ ７ （ ０ ７ ０ ．２ ４ ０
１ 引 言
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中红外波段雪崩光子探测器研究进展陈效双;何家乐;李庆;李冠海;王文娟;胡伟达;陆卫【摘要】近年来,中红外雪崩光电二极管(APD)阵列,以其高增益、高灵敏度和高速探测的优点,成为光纤通信、三维激光雷达成像、天文物理以及大气观测等应用的重要器件.本文具体介绍了中红外雪崩光电探测器的结构和探测原理,对其结构参数相关的性能以及优缺点进行了详细介绍,并展望其发展前景,同时介绍了一些中波红外雪崩光子探测器研究和应用进展.【期刊名称】《红外技术》【年(卷),期】2018(040)009【总页数】12页(P825-836)【关键词】雪崩光子探测;中波红外探测;碲镉汞雪崩光电二极管【作者】陈效双;何家乐;李庆;李冠海;王文娟;胡伟达;陆卫【作者单位】中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室,上海200083;中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室,上海200083;上海科技大学物质科学学院,上海201210;中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室,上海200083;上海科技大学物质科学学院,上海201210;中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室,上海200083;中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室,上海200083;中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室,上海200083;中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室,上海200083【正文语种】中文【中图分类】O572爱因斯坦对现代科学的主要贡献之一就是认识到光的能量是量子化的，这一最小光量子单位即被称为光子。
光子数可分辨的探测能力是光子信息处理核心技术。
作为最小信息的载体，最小光量子的光子探测是光信息探测的最高灵敏度[1-2]。
如果按照单个光子的频率对应的能量计算，在可见光和近红外波段内，其能量仅在10－19 J量级。
要想探测这样微弱的信号，人们开始研究特殊的光电探测器件——雪崩光子探测器。
目前雪崩光子探测器已在科学与工程领域的前沿得到了广泛的应用。
初期的雪崩光子探测器多以光电倍增管与雪崩光电二极管为主[3-7]，这类传统雪崩光子探测器支撑起了早期对于可见光波段弱光检测的实际应用。
然而随着量子信息（Quantum Information，QI）技术的飞速发展，像光纤通信、三维激光雷达成像、天文物理以及大气观测等应用，传统的雪崩光子探测器已无法满足其需求[8-10]。
量子信息技术利用单个量子单元（如光子）以编码和传递信息，在信息传输速度及安全性都展现了极大的潜力。
在量子密钥通信中，为了避免被窃听获取信息的风险，通常需要以单个光子传输信息以提升系统的安全性[11-12]。
此外，量子计算协议（Optical Quantum Computing，OQC）也在技术上对雪崩光子探测及雪崩光子源提出了更高的要求，如信噪比、探测效率、光谱范围与雪崩光子分辨能力等参数都需要远远超出传统的雪崩光子探测器[9, 13]。
量子信息技术已经成为国际的前沿领域，美国的麻省理工学院、加州理工大学和南加州大学共同联合建立了量子信息和计算研究所，将量子信息作为3项重点研究方向之一。
最近，Raytheon公司使用MBE（Molecular Beam Epitaxy）获得了ZnCdTe基的碲镉汞APD（Avalanche Photo Diode）器件。
采用该探测器的激光成像雷达系统获得的三维图像具有极佳的空间和距离分辨率。
为了满足量子信息技术快速增长的广泛应用需求，世界各国的科研工作者正在不遗余力地优化和变革传统雪崩光电探测器结构和性能，同时也在不断地提出新的雪崩放大的探测思想和概念。
雪崩光子探测器的性能通常以光谱范围、死时间、暗计数率、探测效率、时间抖动和光子数分辨能力等通用指标进行评估。
不同的光学应用环境，对其的要求也不尽相同。
雪崩光子探测器的具体性能，主要通过以下参数来反映：光谱范围（spectral range）：雪崩光子探测器只对一定光谱范围内的光子信号有响应，这一光谱范围通常由其吸收层材料带隙所决定。
对于可见光波段，目前技术最成熟的是硅雪崩光子探测器；而对于短波红外常见的波长1550nm通讯波段，一般使用InGaAs雪崩光电二极管。
目前对于中长波雪崩光子探测方面的研究，最具有潜力的探测器是碲镉汞雪崩光电二极管。
美国DRS公司研制的截止波长4.3mm的雪崩光子探测器光谱响应，如图1所示[14]。
死时间（Dead time）：死时间，又被称作探测器的恢复时间。
探测器在实现一次光子探测后，需要一定的恢复时间来响应下一个光子，这个时间即称为死时间，这期间探测器无法探测到任何光信号。
通常而言，探测器的材料与结构类型对探测器的死时间起主要作用，但是，在大多数情况下，死时间的实际测量结果也与探测器的外置电子电路密切相关。
对于半导体雪崩光子探测器而言，刻意地延长死时间以抑制后脉冲会极大地影响探测器的最大计数率，因此在雪崩单光子探测器中通常辅助以“淬灭-重置”电路以改善其死时间特性，并使其远小于系统的工作时钟频率。
暗计数（Dark count rate）：在没有入射光子的情况下，探测器自身也会产生一些非光子响应的输出信号，通常被称为暗计数。
探测器的材料缺陷、偏置条件或外部噪声会导致误计数，因此，决定了暗计数的水平。
汞空位掺杂碲镉汞APD暗计数与工艺的关系，如图2所示[15]。
针对半导体雪崩光子探测器，在隔离的实验室环境下暗计数的测量实际意义不大，必须将探测器集成到系统的应用环境下测量其暗计数，确保为真实应用时暗计数的大小。
通常情况下，暗计数的数值单位表达方式有两种，一种表达为个/秒，也可表达为个/探测门。
通过工作在门触发模式或设置淬灭时间，人们能实现有效减缓探测器的暗计数率。
探测器的抖动时间决定了最小探测门宽或淬灭时间的间隔。
探测效率（Photon detection efficiency）：针对雪崩光子探测器，通常定义探测效率为其探测到入射一个光子或者入射一束光子的效率，也即探测器响应入射光子的概率，是器件的光子探测能力的体现。
探测效率可由下式给出：式中：Rout指探测器的输出计数，也即实际计数值；Rincident为入射的光子数。
在实际光电响应应用中，因为在入射光传输到探测器的过程中，光子耦合可能存在一定的损耗，因此探测器的整体探测效率可以分解为耦合效率hcouple和内量子效率hquantum两部分，也即h＝hcouplehquantum。
一般情况下只讨论最终表现的整体探测效率h。
为了确保探测效率的精确测量，一种方式是通常使用已经校准的光子源，另一种方式通常使用相关光子对来进行实验，同时要考虑到探测器的死时间，并且需要依据探测器的暗计数对Rout进行修正[16-17]。
理论上理想的雪崩光子探测器的探测效率能达到100%。
随着材料制备水平的提高和器件结构优化技术的发展，雪崩光子探测器已经接近理想的探测效率[18-19]。
时间抖动（Timing jitter）：当光子入射到雪崩探测器的光吸收材料上，光子被吸收后探测器产生的电脉冲信号输出之间会有一定时间延时，该延时的时间范围通常被称为时间抖动。
对时间抖动的可靠测量，实验上通常采用多次测量相同时间的入射光子数，在时间轴上获得输出信号的统计分布的半高宽（Full-width half-maximum，FWHM）来确定。
单个光子计数的最大时钟频率通常取决于探测器的时间分辨率，而探测器的时间分辨能力则由时间抖动决定。
这项参数对雪崩光子探测器的很多实际应用都至关重要，比如在激光测距中决定其表面分辨率，在三维成像技术中决定了其精确度。
光子数分辨能力（Ability to resolve photon number）：通常定义为准确分辨入射光子数的能力为雪崩光子探测器的光子数分辨能力。
相比较当前的光子数敏感探测器件，大多数的传统光子探测器只能分辨“无光子”或者“有光子”两种状态[20-21]，这种二元响应意味着多光子响应与雪崩光子响应的输出信号是相同的，而目前量子通讯领域的应用需要区分每个光子态。
激光器在远高于阈值时，其光子数分布服从泊松统计：式中：ánñ表示每个脉冲中的平均光子数。
因此，光子数可分辨探测器的探测效率越高，越能真实反映入射的光子数。
针对具有光子数分辨能力的雪崩光子探测器，人们可以利用其光响应输出的电信号强度来确定入射的光子数。
近年来光子探测技术正在飞速发展，越来越多的可用于光子探测的技术已经见诸报道，包括光电倍增管（photomultiplier tube，PMT）、雪崩光电二极管、频率上转换技术、可见光子计数器（（Visible Light Photon Counter，VLPC）、超导光子探测器、量子点场效应晶体管（QDFET）等。
本章将对目前各种光子探测技术的性能和前景进行总结和分析，在介绍各种光子探测技术的物理机制、性能和优缺点的同时，也指出了其进一步研发的潜力以及未来的发展方向。
1）光电倍增管光电倍增管是于1949年最早实现单光子探测的元器件，目前已经得到了广泛的商业化应用[22-24]。
光电倍增管由一个真空管、阴极、阳极和几个电子束倍增极组成，如图3所示[25]。
当入射光子到达光电阴极以后，激发出光电阴极的电子，在电场作用下获得加速并依次冲击各级电子倍增极，每一次冲击释放出的电子都可在电场加速下冲击下一级倍增极。
通过给PMT的各级倍增极施加比前一级更高的电势，可以产生非常显著的级联放大作用，单个电子就能产生106数量级的电子，被阳极收获而产生宏观电流，从而实现对雪崩光子的探测。
与其他单光子探测器相比，PMT具有较大的探测面积（可达到平方厘米甚至平方米量级），极高的灵敏度和较高的增益[26]。
PMT也有着响应速度较快（输出信号上升时间低于1ns）、暗计数低（室温下只有几十Hz）以及光谱覆盖范围宽（115～1700nm）的优点[27-28]。
受光电阴极材料的外光电效应效率的限制，PMT的量子效率很难超过40%[29]。
由于PMT采用多倍增极的结构，其电子渡越时间分散较大，因此PMT通常具有较低的时间分辨率。
通常而言PMT的物理尺寸较大，同时需要高真空与高偏置电压的工作环境，其中的电子也极易受磁场等外加因素的干扰，这使得PMT在机械稳定性、使用寿命、工作稳定性等方面具有较多的缺点，极大地限制了PMT的应用。
另外，虽然PMT具有较宽的光谱覆盖范围，但是限于红外波段低至2%的量子效率，目前PMT在红外量子通信波段尚少实际应用价值[27, 30]。
为了提高PMT的时间分辨率，出现了采用单级倍增结构的微通道端面光电倍增管（Microchannel Plate，MCP）[30-31]。
其基本结构即为将一种内壁涂有二次电子发射材料的玻璃毛细管密集成束，当光电阴极激发的电子进入玻璃管时，电子在玻璃管内部反复撞击而引发出更多的次级电子束，从而产生较大的增益。