单光子探测器的发展历史

单光子探测器的发展历史

1905年爱因斯坦（Einstein）光电效应(Einstein 1905)的发现为单光子的探测奠定了理论基础。不久，埃尔斯特（Elster）和盖特尔（Geiter）于1913年发明了光电管，可以实现极弱光的检测。到了19世纪30年代，在电视机技术的推动下，光敏元件技术和电子倍增器件技术得到了快速发展，而这正是世界上第一种具有单光子探测能力探测器-光电倍增管（PMT，photomultiplier tubes）的基本组件。不久后第一支PMT单光子探测器就问世了(Lubsandorzhiev 2006, Eisaman, Fan et al. 2011)。经过多年的发展以及材料的改进，PMT在性能已经有了很大的提高，探测效率从最初的约0.025%(Allen 1950)提高到了40%(Eisaman, Fan et al. 2011)，同时具有较低的暗计数、较低的时间抖动和高的重复频率，在紫外、可见光以及近红外波段具有较好的响应，广泛应用于荧光光谱学(Tasaki, Watanabe et al. 1968, Pan, Cobler et al. 2001)、核物理和粒子物理(Ahmad, Allen et al. 2001)、天文学(Rodman and Smith 1963)、激光测距激光雷达(Clemesha, Kent et al. 1967, Degnan 1985)、激光通信(Cox Jr 2008)、量子信息(Hadfield 2009)、生物学(Smith, Sanders et al. 1986, Swerdlow, Zhang et al. 1991)以及医学(Schult, Katerkamp et al. 1999)等领域。PMT在紫外波段以及可见光波段有较好的探测效率，但是在红外和近红外其探测效率较差，如在800nm附近其探测效率只有10%左右，如图 1所示。虽然红外增强型阴极材料可以改善这个问题，但是改善程度有限并且会增加暗计数(Kell, Bülter et al. 2011)。另外，体积较大、容易受电磁场干扰、接受强光会损坏等这些缺点也限制了PMT在一些特殊场景的使用。

图 1  PMT和不同材料APD在不同波长的量子效率(Maruyama, Narusawa et al. 2002)

随着高能物理的发展，高能物理实验量热计需要工作在强磁场下，急需发展PMT的替代型探测器(Renker 2006)。第一个能够替代PMT在强磁场中工作探测器PIN（p-, intrinsic and n-silicon）不久就诞生了，并成功运用到了高能物理实验中，如CLEO粒子探测器(Andrews, Avery et al. 1983)、BELLE探测器(Abashian, Gotow et al. 2002)等。但是由于PIN无内部增益以及较大的噪声，PIN的信噪比较低，远达不到单光子探测水平。60年代，RCA（Radio Corporation of America）公司的麦金泰尔（McIntyre）(McIntyre 1961)和肖克利（Shockley）研究实验室的海兹（Haitz）(Haitz 1964)的研究工作为APD（雪崩光电二极管，Avalanche PhotoDiode）的研制打下了理论基础，随后不久就分别研制出了贯穿型和平面型的硅APD，能够实现对单光子的探测。此后，APD技术迅猛发展，1972年日本的山本（Yamamoto）发明了另一种水平结构APD并注册了的专利(Yamamoto 1972)；Excelitas（以前叫EG&G，Perkin Elmer）公司发明了外延结构低成本APD以及SLik（Super Low Ionization ratio, K是空穴电离系数与电子电离系数的加权比）结构APD等。APD单光子探测器厂商除了Excelitas外，还有意大利的MPD（Micro Photon Devices）、瑞士的IDQ（ID Quantique）、德国的PicoQuant等，量子效率基本都在80%左右，远高于PMT，如图 1.1所示。但是，在远红外1550nm波段附近，InGaAs探测器由于高暗计数及后脉冲限制，过雪崩电压一般设置较低，导致探测效率（10%左右）远低于量子效率。由于1550nm附近波段在光纤中具有最低的损耗，是光纤通信中最常用波段，促进了远红外光电器件的研究。为了实现1550nm波段附近探测器高的探测效率，亚伦P·范德文德（Aaron P. Vandevender）等人发明了基于块晶体（Bulk Crystals）或周期极化铌酸锂（PPLN，Periodically Poled Lithium Niobate ）波导的频率合成上转换探测器(Albota and Wong 2004, Vandevender and Kwiat 2004, Langrock, Diamanti et al. 2005, Kamada, Asobe et al. 2008, Thew, Zbinden et al. 2008, Shentu, Pelc et al. 2013)。上转换探测器将远红外波长（如1550nm）转换到700nm波长附近，而硅APD在700nm波段附近具有很高的探测效率（65%左右(SPCM-AQR 2001)），上转化效率一般可以达到90%以上(VanDevender and Kwiat 2007)，因此上转换探测器在1550nm波段可以获得约40%的探测效率(Langrock, Diamanti et al. 2005, Kamada, Asobe et al. 2008)，同时暗计数保持在硅探测器水平（约200cps）。但是上转换探测器由于其系统复杂，体积较大，这限制了其在一些特殊场合中的使用，如移动平台、卫星平台等。

自1911年昂内斯发现超导现象以来(Van Delft and Kes 2010)，随着超导物理理论的完善、新型超导材料的出现以及低温电子学的发展，促进了超导技术的发展和应用，已被广泛应用到超导发电机、超导输电、超导计算机、超导磁悬浮列车以及核聚变反应堆等领域。2001年哥尔斯曼（Gol’tsman）等人展示了一种利用超导电流热点机制的新型探测器(Gol’Tsman, Okunev et al. 2001)，即超导纳米线单光子探测器（SNSPD）。SNSPD具有探测效率高、暗计数很低、低抖动以及高速等优点(Gol'Tsman, Minaeva et al. 2007)，特别是在光通信波段的高探测效率相对MPT和APD具有无法比拟的优势，已经广泛应用于光通信(Dauler, Robinson et al. 2006, Robinson, Kerman et al. 2006, Terai, Miki et al. 2018, Vyhnalek, Tedder et al. 2018)、测距(Li, Chen et al. 2016, Xue, Li et al. 2016, Zhou, He et al. 2018)、量子信息(Knill, Laflamme et al. 2001, Tang, Yin et al. 2014, Sun, Mao et al. 2016, Yin, Chen et al. 2016, Islam, Lim et al. 2017, Yokoyama, Pozza et al. 2017, Ergül 2018)以及分子科学(Chen, Schwarzer et al. 2017)等。经过近20年的发展和改进，SNSPD在1550nm附近探测效率已经可以做到90%以上，而暗计数在100 cps以下(Zhang, You et al. 2017)。图 2为目前世界多个研究小组的SNSPD（如SIMIT(Zhang, You et al. 2017)、NICT(Miki, Yamashita et al. 2013)、NIST(Marsili, Verma et al. 2013)、UGA(Redaelli, Bulgarini et al. 2016)、NJU(Min, La-Bao et al. 2015)、MIT(Rosenberg, Kerman et al. 2013)等）、主流厂商的MPT（如MPD公司的PMA、PMA hybird）以及APD（如IDQ公司的基于硅APD的ID120、基于InGaAs APD的ID230）在各个不同波长的探测效率。PMT在可见光波段探测效率可以达到40%左右，基于硅APD的探测器在近红外波段量子效率可以达到80%左右（和SNSPD相当），而在远红外1550nm附近，基于InGaAs APD的探测器探测效率只有25%左右，而SNSPD可以做到90%以上，这正是SNSPD的优势之一。虽然SNSPD的具有优于的性能，但是由于需要复杂、体积较大、超低真空的低温制冷设备，工作前需要较长的预热时间，限制了其在一些特殊场合的应用，如轨道空间环境等。

图 2  不同波段不同型号探测器的探测效率(You, Li et al. 2017)

除了目前常用的PMT、APD、上转换探测器以及SNSPD单光子探测器外，还有量子点探测器（Quantum Dot）(Komiyama, Astafiev et al. 2000)、转换沿探测(Rosenberg, Lita et al. 2005)（TES, transition-edge sensor）、超导隧道结探测器(Peacock, Verhoeve et al. 1996)（STJ, superconducting-tunnel-junction）等新型单光子探测器，但是由于目前工艺技术等因素限制，目前不常用。

单光子探测器的出现和发展，为光量子技术奠定了基础，在光量子技术的发展中起着举足轻重的作用。同时光量子技术也对单光子探测器的性能提出了更高的要求。如在BB84协议中，要求使用的是理想的单光子源和探测器以及稳定的信道(Bennett and Brassard 2014)，要求单光源每次只发射一个光子，探测器具有较低的暗计数、较快的探测恢复时间（Dead-time）、小的时间抖动（Jitter）以及较高的探测效率。由于目前技术的限制，在量子通信系统的具体工程实施过程中，单光子源一般采用窄激光脉冲通过衰减后使得每个脉冲只有约1个光子的弱相干光源，而单光子探测器具有暗计数、有限的探测效率以及不可忽略的探测恢复时间等限制，而系统中的这些光电器件的性能最终决定了量子通信的性能，如密钥成码率、误码率以及通信距离等，光电器件在量子通信系统中起着举足轻重的作用。另外一方面，量子信息的发展反过来又极大地推动了单光子探测器技术的发展，图3显示了同一时期量子信息、量子保密通信、单光子源以及单光子探测器每年发表的论文数量，基本同比例增加。

图 3  每年单光子探测器发表的论文数量(Eisaman, Fan et al. 2011)

不同类型单光子探测器在不同波长具有不同的性能，波长的选择主要由光纤窗口和大气窗口等因素决定，这些在光通信中已有比较详细的研究。早在1880年Bell提出了利用光束通信的想法，不久后就发明了利用太阳光调制的光电话。但是由于受缺乏好的光源、大气损耗、天气影响以及可视传输距离的限制，光通信只限于移动设备等一些小容量信道的通信，而这段时期无线电、微波等通讯得到了快速的发展。60年代激光器的发明(Maiman 1960)以及人类对更高速率通信的需求，光通信重新引起了人们的关注。1966年高锟（Kao）、霍克姆（Hockham）(Kao and Hockham 1966)以及沃茨（Werts）(Werts 1966)提出了利用光纤通信的想法。经过多年的发展，光纤衰减从最初的下降到了目前的。光通信自生不断发展的同时，也推动了相关组件技术的发展，如光纤技术、激光器技术、探测器技术等。由于光纤的本征吸收以及金属离子、氢氧根离子引起外在吸收，导致光纤只在一些特定波长附近具有较好的透过率，即光纤窗。目前见的光纤窗口有5个，即、、、以及。地球卫星、无人机等技术的发展，推动了自由空间激光通信的发展。激光在大气中传输时不可避免地受到空气分子及其气溶胶的影响，如吸收、散射等，导致激光能量的损失及其波形的畸变，并且衰减数值是波长的函数，导致一些波段衰减较大而另一些波段较小，形成多个大气窗口(Henniger and Wilfert 2010)。由于自由空间光通信终端的光学组件一般采用光纤互联，因此自由空间光通信的选择要综合考虑光纤窗口和大气窗口这两个因素。自由空间光通信一般选择在800nm和1550nm附近的两个大气窗口，空间量子通信波段的选择基本一致。