单光子探测器进展与展望：原理、材料、制冷系统及应用
2026-09-13 16:31:55 来源：麦姆斯咨询评论：0 点击：

高效地探测超弱光信号，尤其是单光子水平的信号，对激光雷达（LiDAR）、量子通信和传感等技术的发展至关重要。传统的线性光探测器的灵敏度不足，难以满足这些应用的严格要求。单光子探测器凭借其卓越的灵敏度和超快响应特性展现出巨大的发展潜力。

高效地探测超弱光信号，尤其是单光子水平的信号，对激光雷达（LiDAR）、量子通信和传感等技术的发展至关重要。传统的线性光探测器的灵敏度不足，难以满足这些应用的严格要求。单光子探测器凭借其卓越的灵敏度和超快响应特性展现出巨大的发展潜力。然而，其性能受限于材料特性、器件结构及环境噪声等因素。当前研究主要聚焦于材料优化、器件设计改进和制冷技术提升，但尚缺乏系统的理论框架。

据麦姆斯咨询报道，中国科学院合肥物质科学研究院夏茂鹏科研团队在Advanced Optical Materials期刊上发表了题为“Advances and Perspectives in Single Photon Detectors: Principles, Materials, Cooling Systems, and Applications”的综述文章。本综述通过探讨克服现有局限所需的基本原理、材料创新和制冷策略来应对上述挑战。文中强调了在实现高探测效率、低暗计数率和最小后脉冲概率之间存在固有的权衡关系。本文提出了一种集成优化方法，将前端器件设计与后端应用需求相匹配，平衡探测效率、暗计数率和时间分辨率。该策略旨在促进高性能单光子探测器的实际部署应用。

单光子探测器基本原理

光子探测技术基于光电效应原理，将入射的光信号转换为电信号进行分析和处理。传统的光子探测器（例如PIN光电二极管）工作在线性模式下，其输出电流与入射光强度成正比，因此无法分辨单个光子事件。单光子探测器（SPD）以其超高灵敏度和精度而闻名，能够在极低光照环境中检测单个光子。通过采用内部增益机制，这类探测器放大光子产生的微弱电信号，从而实现高度精确的测量。

单光子探测器可以根据其工作温度分为两大类：室温探测器和低温探测器。室温单光子探测器主要包括三种类型：光电倍增管（PMT）、单光子雪崩二极管（SPAD）和上转换单光子探测器（UC SPD）。低温单光子探测器主要包括四种类型：超导纳米线单光子探测器（SNSPD）、超导转变边缘传感器（TES）、超导隧道结探测器（STJ）和量子电容探测器（QCD）。每种探测器均基于不同的工作原理，适用于特定的应用场景。

各种单光子探测器的工作原理

单光子探测器是光电测量系统的关键组件，因为其性能直接影响整个系统的可靠性。单光子探测器的关键性能参数表现出复杂的权衡。提高探测效率通常会增加暗计数率，这需要通过材料选择和温度控制进行仔细的权衡。对于时间特性，实现高时间分辨率（低时间抖动）通常需要减少死区时间，这可能会恶化后脉冲效应并损害光子数分辨率。此外，扩大光谱响应范围往往会引入过量噪声，而最小化噪声可能限制探测器的工作波长范围。这些相互关联的参数关系最终决定了单光子探测器的整体性能。

单光子探测器性能参数

单光子探测器的发展源于对不同波长范围内光子探测的需求。研究人员总结了过去十年中与单光子探测器相关的重要研究，涵盖了探测器类型（例如SPAD、SNSPD、PMT、TES）、新型材料（例如二维材料及其异质结构）以及新型结构（例如纳米线、薄膜）的进展。

过去十年间单光子探测器发展历程以及重要的文献报告

单光子探测器材料研究的进展

纳米线结构材料的应用是单光子探测器制造的核心技术，广泛应用于SPAD、SNSPD和TES等高性能探测器。目前的研究还侧重于开发量子点、薄膜结构、夹层架构以及二维层状结构材料，以提高单光子探测器的性能和效率。

单光子探测器中使用的材料可分为三大类：半导体、超导体和二维范德华结构。半导体材料因其优异的光电性能和成熟的制造工艺而被广泛应用，能够实现高效的光电转换。超导材料具有接近零的电阻和极低的噪声特性，非常适合在弱光条件下探测光子。二维范德华材料，例如石墨烯，具有独特的电子特性和机械强度，在单光子探测方面显示出巨大潜力。这些材料的持续优化以及新型结构的探索，正是推动单光子探测技术进步的核心驱动力。

基于半导体材料的单光子探测器示例

基于超导材料的单光子探测器示例

基于二维材料的单光子探测器示例

单光子探测器低温制冷系统

单光子探测器的性能高度依赖于其工作温度，因此对制冷模块的严格要求已成为研究中不可避免的一部分。对于低温环境（123-223 K），通常适用于对温度要求较低的应用，例如SPAD。在此范围内，结构简单且无运动部件的热电制冷器（TEC）被广泛采用。对于某些超导探测器（例如SNSPD）所要求的极低温环境（约4 K），则需采用更复杂的制冷技术，包括吉福德-麦克马洪（G-M）低温制冷器和集成了脉冲管（PT）低温制冷器和焦耳-汤姆逊（JT）制冷器的多级组合制冷系统。对于接近或低于1 K的超低温环境，则通常采用³He或⁴He等稀有气体进行稀释制冷。这类超低温技术通常仅限于需要极高温度精度和稳定性的科研领域。为单光子探测器研究选择合适的制冷方案，需要进行全面分析。这包括评估制冷技术的效率、经济可行性、实际实施情况以及其对器件性能的影响。这种评估有助于做出有科学依据的决策。

典型的制冷系统实现方案

单光子探测器应用研究进展

量子信息技术的快速发展将单光子探测器推向了关键位置，促进了量子通信与传感、激光雷达和精密测量领域前所未有的研究和商业化进程。在单光子激光雷达探测中，单光子探测器的作用是实现极高的光子探测灵敏度，从而精准捕捉目标返回的微弱信号，支持远距离、高分辨率成像与测距。在量子密钥分发（QKD）领域，单光子探测器的性能直接影响系统的密钥生成速率、传输距离及安全性。

目前，单光子激光雷达的研究主要聚焦于应对当前挑战的两种方法。第一，正致力于开发低噪声、高效率的单光子探测器，以从根本上提升信噪比，并增强对远距离弱目标的探测能力。第二，正在积极探索SPAD阵列等大规模单光子探测器阵列的应用。通过并行处理多个探测单元，可大幅提高成像效率，满足高速实时成像的需求，为自动驾驶等领域的广泛应用奠定坚实的基础。

单光子激光雷达三维成像的研究进展