下载文档原格式
单光子探测器技术原理单光子探测器技术原理随着量子通讯和量子计算等领域的发展，单光子探测器逐渐成为热门的研究领域。
单光子探测器是一种检测单个光子的器件，它可以用于量子密钥分发、量子加密、精密测量等领域。
本文将介绍单光子探测器的技术原理，包括基于探测器元件的光电倍增管、单光子探测器芯片、超导单光子探测器等。
一、基于探测器元件的单光子探测器探测器元件是一种传统的光电探测器，它由一个光敏元件和一组电子学元件组成。
光敏元件可以是光电倍增管（photomultiplier tube，简称PMT）或光电二极管（photodiode，简称PD），电子学元件包括放大器、滤波器和数字转换器等。
当光子入射到光敏元件上时，它会被光电效应激发出一个电子。
这个电子会被极高的电场加速，撞击到其他电子上，形成一系列电子级联。
最后在电子收集极处形成较强的电信号。
这个信号会被放大器放大，经过滤波器，最终由数字转换器转换为数字信号，以供后续的处理和分析。
基于探测器元件的单光子探测器具有较高的探测效率和快速响应时间。
然而，它们主要适用于低光强度的应用，因为探测器会受到噪声干扰，限制其探测低能量的光子。
二、单光子探测器芯片单光子探测器芯片是一种集成化的单光子探测器，它由多个单光子探测器、电子学元件、微透镜等组成。
它具有紧凑、高灵敏度和低噪声等特点，成为当前热门的单光子探测器技术之一。
单光子探测器芯片的工作原理是，当光子入射到探测器芯片上时，它会被探测器元件感应出来，探测器将光子转换为电子信号，并将信号传递给后续的电子学元件。
这些电子学元件可以对信号进行放大、滤波、数字转换等处理，最后输出数字信号。
单光子探测器芯片的探测效率和响应时间都比传统探测器元件优秀，但是其集成电路的复杂度和制造成本也更高。
此外，当多个探测器同时工作时，可能会发生交叉干扰，导致误检率升高。
三、超导单光子探测器超导单光子探测器是一种基于超导材料的单光子探测器，具有超高的灵敏度和超低的噪声。
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。
单光子探测器技术原理1. 单光子探测器技术原理单光子探测器（Single-Photon Detector，SPD）是一种能够探测到单个光子的器件。
SPD具有高灵敏度、高速度、低功率等优点，因此被广泛应用于光学通信、量子通信、量子计算、生命科学等领域。
本文将介绍SPD的技术原理。
SPD的基本工作原理是：当一个光子被探测器吸收时，探测器会发出一个电信号。
这个电信号可以被放大、记录和分析，从而确定光子的存在和性质。
SPD的探测效率、时间分辨率和噪声等性能取决于其具体实现方式。
SPD的实现方式有很多种，以下是几种常见的实现方式：1.1 线性光子探测器线性光子探测器（Linear Photon Detector，LPD）是SPD的一种常见实现方式。
LPD的工作原理是：当一个光子被吸收时，它会生成一个电荷激发，在探测器中形成电流。
该电流与光子数成正比，因此可以计算出光子的存在和强度。
LPD的灵敏度、探测效率和时间分辨率等性能取决于其探测器材质、制备工艺和电子学系统等因素。
LPD通常需要被冷却至低温，以提高探测效率和减少噪声。
1.2 热光子探测器热光子探测器（Thermal Photon Detector，TPD）是一种利用光子吸收产生热效应的SPD实现方式。
TPD的工作原理是：当一个光子被吸收时，它会增加探测器的温度，从而产生一个热效应信号。
该信号可以被放大和记录，从而确定光子的存在和强度。
TPD的探测效率、时间分辨率和噪声等性能取决于其探测器材质、制备工艺和热管理等因素。
TPD通常需要被冷却或控制温度，以提高探测效率和减少噪声。
1.3 光电倍增管光电倍增管（Photomultiplier Tube，PMT）是一种利用光电效应产生电子增益的SPD实现方式。
PMT的工作原理是：当一个光子被吸收时，它会产生一个光电子，光电子会在PMT 中加速并撞击光阴极，从而产生多个次级电子。
这些次级电子会再次加速并撞击下一个次级结构，如此反复，直到产生一个可以被读取的电信号。
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。
单光子探测器的原理单光子探测器是一种能够检测光的最小单位——光子的光学仪器。
其原理基于光子的量子特性，利用光电效应将光子转化为电子，并通过电子的探测来实现对光子的检测和计数。
单光子探测器在量子光学、量子通信、量子计算等领域具有重要的应用价值。
单光子探测器一般由光电二极管（PD）或光电倍增管（PMT）构成。
下面将分别介绍这两种类型的单光子探测器的原理和工作方式。
1. 光电二极管（PD）单光子探测器光电二极管单光子探测器是利用光电效应将光子转化为电子的装置。
光电二极管由P型和N型半导体材料组成，两个不同的材料之间形成P-N结，其内部形成耗尽层。
当光子照射到耗尽层时，光子的能量被电子吸收，并激发一部分电子从价带跃迁到传导带，形成光电流。
光电流经过增强电路放大后，即可被检测到。
光电二极管单光子探测器的主要特点是高时间分辨率和低成本。
它的工作原理简单，适用于波长范围广，包括可见光和红外光等。
另外，光电二极管还可以采用一些增强技术，如冷却和增益放大器，以提高探测效率和灵敏度。
2. 光电倍增管（PMT）单光子探测器光电倍增管单光子探测器是一种将光子转化为电子，并经过倍增放大后检测的装置。
光电倍增管由光阴极、电子倍增结构和阳极等组成。
光子照射到光阴极时，光子的能量被光阴极吸收，并激发出电子，形成初级电子。
初级电子被电子倍增结构中的一系列二次发射表面所吸收和发射，从而进行倍增，最终形成大量次级电子。
最后，次级电子被阳极吸收，并经过放大电路放大后即可被检测到。
光电倍增管单光子探测器的主要特点是高增益和低噪声。
光电倍增管具有高放大倍数和较低的附加噪声，因此能够检测到非常弱的光信号。
光电倍增管适用于宽范围的光谱，包括可见光、紫外光和一部分红外光等。
为了提高单光子探测器的性能，研究人员一直进行着一系列的改进工作。
例如，引入低温冷却技术可以降低器件的热噪声，并提高探测器的灵敏度。
此外，采用新型的材料和结构设计也可以进一步改善探测器的性能。
单光子探测技术篇一：单光子探测技术的引言单光子探测技术的出现，为量子光学和量子信息领域带来了一次重大的革命。
单光子探测器能够高效地探测单个光子，是光量子通信、光量子计算和高精度光学测量的重要基础。
以前，用于探测光子的探测器往往不能根据光子寄存的电荷测量探测强度，这就限制了用光子进行高灵敏度、高分辨度测量的能力。
单光子探测技术的出现改变了这种现状，同时极大地推动了基于光的新型量子测量方案的出现。
单光子探测技术是光学社会长期关注的研究课题，在文献中也有很多闪光点。
本文将围绕单光子探测技术进行深入探讨。
首先，我们将介绍单光子探测器的工作原理和分类，并对几种重要的单光子探测技术进行详细讲解。
然后，我们将概述单光子探测器的应用场景，包括光子间的量子通信、量子密钥分发、量子计算等。
最后，我们将关注单光子探测器的未来展望，对技术实现和推广应用提出建议。
篇二：单光子探测器的工作原理和分类单光子探测器是一种能够在光子级别上探测光强的探测器，其工作原理基于单个光子与它所经过的介质发生交互产生的光信号。
单光子探测器的分类方法多种多样，但大多数分类方法基于探测器的工作原理。
下面我将通过三种基本的单光子探测器，即光电倍增管探测器、接收机识别探测器和超导单光子探测器，来介绍单光子探测器的工作原理和分类方法。
1. 光电倍增管探测器光电倍增管探测器是一种基于光电子发射原理工作的单光子探测器，在光电增益和倍增过程的作用下将单光子转换成尽可能多的电子。
光电倍增管探测器的工作原理基于外部光子的荷电粒子散射（如真空紫外光照射下），使得光电发射电子在经过高电场加速器之后，产生高倍数增益。
基本结构包括光信号输出窗口、电子收集极和光阴极。
2. 接收机识别探测器接收机识别探测器是一种快速探测单个光子的探测器，它是基于光量子的相互作用，将光子在探测器上产生的信号电流转换成探测器输出电压，通过输入波形区分信号与噪声。
它通过对输入光和标准量子态的比较，可以实现单光子探测。
近红外单光子激光雷达人眼安全分析吴仲;孙飞阳;袁丰;徐跃【摘要】近年来基于单光子雪崩二极管(SPAD)的激光雷达得到迅猛发展,已经从军事侦察、生物探测等特殊领域走向需求量巨大的无人驾驶系统等民用领域.由砷化镓、磷化铟等材料制备的SPAD探测器可以对1.54 μ,m以上的近红外长波响应,具有人眼安全性,但制造成本高且难以实现大规模集成,无法满足低成本和高集成度的民用要求.目前,硅基SPAD探测器通过结构和工艺优化实现了对0.7～1.1 μm近红外短波光子的高效探测,大幅度降低激光发射功率,从而降低了激光对人眼的伤害.但为了安全工作,还必须对人眼安全问题进行分析.本文在分析SPAD激光雷达研究现状的基础上对近红外短波激光雷达的人眼安全进行了深入和全面的分析,根据美国国家激光标准精确计算出符合人眼安全的激光能量和照射时间,为硅基SPAD民用激光雷达的应用提供了设计依据.【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2019(049)001【总页数】6页(P20-25)【关键词】单光子探测;激光雷达;三维成像;人眼安全【作者】吴仲;孙飞阳;袁丰;徐跃【作者单位】南京邮电大学电子与光学工程学院微电子学院,江苏南京210023;南京邮电大学电子与光学工程学院微电子学院,江苏南京210023;南京邮电大学电子与光学工程学院微电子学院,江苏南京210023;南京邮电大学电子与光学工程学院微电子学院,江苏南京210023;射频集成与微组装技术国家地方联合工程实验室,江苏南京210023【正文语种】中文【中图分类】TN2491 引言随着图像信息获取的要求日益提高,技术较为成熟的传统电容积分器件(Charge-Couple Device,CCD)由于像素固定,存在测距范围和测距精度相互制约的问题尚未得到解决[1],且CCD不能成3D图像,无法满足现代军事及民用邻域的应用。
近些年新发展的单光子雪崩二极管(Single-Photon Avalanche Diode,SPAD)具有低暗计数率、低噪声、低抖动时间等特性[2],且在反射激光较弱的情况下,仍具有高的单光子探测效率,可大大降低发射功率和整体功耗。
单光子探测器的研究和应用单光子探测器是一种能够探测到单个光子的探测器，是量子光学实验和量子信息处理的关键设备。
它广泛应用于光子发射、量子计算、量子通信、量子密钥分发等领域。
在实际应用中，单光子探测器的性能直接影响到量子技术的可靠性和实用性。
一、单光子探测器介绍单光子探测器是一种能够探测到光子的探测器，可以实现单个光子的探测和测量。
它通过将光子与探测器的探测元件相互作用，将光子转换为电子信号，并通过探测器电路来测量电子信号。
当光子被探测器接收时，它会导致电光子的发射，从而使电路中的电压发生变化。
然后，通过分析电路中的电压变化来检测光子。
目前，常用的单光子探测器包括雪崩光电二极管(APD)、光子检测器(PD)等。
二、单光子探测器的应用单光子探测器广泛应用于实验室和实际应用中，包括量子通信、量子计算、量子密钥分发等领域，以下是其中一些应用的介绍：1. 量子计算量子计算是一种基于量子力学原理的计算方式，比传统计算方式更加高效和可靠。
在量子计算中，单光子探测器被广泛应用于量子纠缠、单量子态测量等领域，提高了量子计算的可靠性和实用性。
2. 量子通信量子通信是一种基于量子力学原理的通信方式，比传统通信方式更加安全和难以被攻击。
在量子通信中，通过单光子探测器来实现单量子态的探测和传输，从而保证了通信的安全性和可靠性。
3. 量子密钥分发量子密钥分发是一种使用量子力学原理的加密方式。
在量子密钥分发中，通过单光子探测器来实现单量子态的探测和传输，从而保证了密钥的安全性和可靠性。
三、单光子探测器的研究现状目前，单光子探测器的研究进展非常迅速。
随着量子计算和量子通信技术的不断发展，单光子探测器的性能需求也越来越高。
一方面，目前的单光子探测器在光子检测效率和暗计数率等方面仍存在一些限制，限制了其在实际应用领域中的应用。
另一方面，随着新材料和新技术的出现，单光子探测器得到了新的研究进展。
例如，超导探测器、有机材料探测器等新型单光子探测器的研究正日趋活跃。
单光子探测器的工作原理和应用随着科技的不断发展，关于光子及其相关的技术逐渐成为了研究热点。
其中，单光子探测器作为一种光子检测技术，已经被广泛地应用于量子通信、量子计算、光学成像等领域。
本文将从单光子探测器的工作原理和应用两方面进行探讨。
一、单光子探测器的工作原理单光子探测器的基本原理是在光子到达探测器之后，将其转化为带电子的信号，然后将其放大。
在这个过程中，单光子探测器需要克服相对论效应和量子效应，才能准确地检测出光子信号。
因此，单光子探测器的核心是探测器的探测效率和信噪比。
常见的单光子探测器有微波水平的超导单光子探测器和微纳光子探测器两种。
超导单光子探测器是通过在铜基底上涂敷超导薄膜，并在其上投入电流的方式进行工作的。
而微纳光子探测器则是利用二维电子气和半导体中的谷极化效应进行光子探测的。
这两种单光子探测器都具有高探测效率和高信噪比的特点。
二、单光子探测器的应用单光子探测器在量子通信、量子计算和光学成像等领域有广泛的应用。
量子通信是指通过量子态来传递信息的通信方式。
由于光信号中一个光子能携带一个比特的量子信息，因此单光子探测器的高探测效率和高信噪比为量子通信提供了极大的便利。
目前，单光子探测器在基于光子的量子密钥分发系统中得到了广泛应用。
在量子计算中，单光子探测器也有着不可替代的作用。
量子计算是利用量子现象来进行计算的一种全新的计算方式，其计算速度远远超过传统的计算方式。
而量子计算中，通过光子的方式来处理和传递量子信息，因此单光子探测器在量子计算中也起到了重要的作用。
此外，单光子探测器在光学成像方面也有着广泛的应用。
通过使用单光子探测器，我们可以探测到极微小的光信号，从而可以使用更高分辨率的光学成像系统进行角分辨率更高的成像。
三、总结单光子探测器是一种重要的光子检测技术，其在量子通信、量子计算、光学成像等领域有着广泛的应用前景。
随着技术的不断改进，单光子探测器的探测效率和信噪比将得到进一步提高，从而为光子学及其相关领域的发展提供更加可靠的检测手段。
电子科技大学光电信息学院课程论文课程名称红外与传感技术题目名称单光子探测器研究进展学号姓名2014年6月20日摘要：单光子探测是一种极微弱光探测技术, 在高分辨率光谱测量、高速现象检测、精密分析、非破坏性物质分析、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、地球科学、空间科学、量子信息等领域有着极其广泛的应用。
本文主要从工作原理、工作参数和优缺点等方面介绍了目前常用的单光子探测器件和技术。
关键词：单光子，近红外，探测器1 引言自从1984年Bennett 和Brassard 提出第一个量子密码术方案并于1989 年成功地完成量子密码通讯实验的演示之后，世界各国掀起了量子密码通讯实验的高潮。
作为量子密码通讯技术关键技术之一的单光子探测技术也逐渐在量子光学的微弱光探测领域中显示出广阔的前景，而日新月异的半导体技术为单光子探测技术的发展提供了强大的动力。
量子通讯是利用量子态不可克隆的原理来保护量子载体中的保密信息不被窃取，根据量子探测原理，窃听者获取的载有相同信息的量子体系数量越多，其经过多次探测后获得正确信息的可能性就越大，所以载有保密信息的量子体系越少越好。
因此在各种QKD方案中，实际载有信息的量子体系一般都是单光子。
对一套QKD方案来说，单光子探测的表现很大程度上影响其安全性和最大有效通讯距离，很多QKD系统的潜在漏洞都是由于量子器件的不够完美造成的。
同时，单光子探测器的重复频率影响系统的工作频率，探测效率影响系统的成码率，暗计数率影响误码率和基于误码率检测的安全性分析。
除此之外，某些单光子探测器对不同偏振态入射的光子有不同的探测效率，这同样会影响系统成码率的稳定度。
若单光子探测器具有良好的光子数分辨能力的话，基于光子数布居的安全监测方法也能够增加系统的安全性。
所以单光子探测器性能对量子通讯有着非常重要的意义。
2 单光子探测器件参数单光子探测器（Single Photon Detector SPD）的基本功能是响应单个或多个光子，并输出相应的计数脉冲信号以表征该光子。
单光子探测器的材料和工作方式各不相同，但其工作目的基本相同，所以一个单光子探测器（亦称作光子计数器Photon Counter）或探测技术的工作性能一般可以由下几个通用的指标来标定。
[1]（1）光谱响应范围（spectral range）。
单光子探测器的吸收层材料能带带隙决- 1 -定了其只能对一定光谱范围内的入射光信号产生有效探测，而它的响应范围也就决定了其应用领域。
一般来说，空间光学应用多着眼于可见光波段和近红外光波段；而1310 nm和1550 nm在光纤中传输的损耗最小，该波段也就成为了长距离光纤通讯的首选。
（2）死时间（dead time）。
也称作探测器的恢复时间，即探测器在实现一次光子探测后无法再次工作的间隔时间。
事实上，一种探测器的内在死时间主要取决于其敏感元件的材料和结构类型。
然而在很多情况下，探测器的偏置电路和计数电路却很大程度地影响着实际测量出来的死时间，而非敏感元件的材料和结构本身。
在半导体单光子探测器的实际应用中，死时间常常会被刻意地延长来抑制后脉冲（后脉冲是指在光子引发的信号之后被诱发的不对应光子信号的随机信号）的产生。
死时间会限制探测器的最大饱和计数率，使其远小于系统的工作时钟频率。
（3）暗计数率（dark count rate）。
即没有光子入射的情况下产生的输出信号。
大多数的探测技术都会或多或少的有这种误发信号，也可被称为暗噪声或暗电流。
该参数一般受到敏感元件材料、电路偏置情况或外来噪声的影响。
一般情况下，暗计数率的数值表达为个/秒，但有些情况下也可表达为个/探测门。
将探测器工作在门触发模式或设置萍灭时间可有效缓解暗计数率，最小探测门宽或淬灭时间的间隔由探测器的时间抖动所决定。
（4）探测效率(detection efficiency)。
单光子探测器的探测效率定义为由光子入射引发的成功探测（计数）的概率，即实际计数值/光子入射值。
（5）时间抖动(timing jitter) 。
从光信号输入到电信号输出的延时的不确定性范围。
对时间抖动的可靠测量就是对相同时间的入射光子进行多次测量，通过输出信号在时间轴上的统计分布的半高宽(FWHM)来进行度量。
探测器时间抖动越小，意味着该探测器的时间分辨能力和精确度越好。
（6）光子数分辨能力(photon number resolving (PNR) ability)。
准确分辨入射光子个数的能力。
大多数传统单光子探测器只能分辨和输出“有光子”和“无光子”两种状态，这种二进制输出意味着多光子和一个光子的输出是一样的不可区分。
（7）信噪比与相对参数(Figures of merit for single-photon detectors)。
对光电二极管而言，最常被引用的参数就是其噪声等效功率(NEP)，该参数在对光能量的测量时非常有用的。
综合上述几个参数指标，一个理想的单光子探测器应该具有如下特征：探测效率为100%，暗计数率为0，死时间为0，时间抖动为0，完美的光子数分辨能力。
此- 2 -外，几乎所有的单光子探测器都需要一系列驱动电路来保证它能顺利地、高效率地将光信号转换成可供使用的电信号。
以盖革模式的APD为例，外围电路的关键任务之一：“萍灭-重置”（quenching and reset）就是在完成一次光子探测之后，快速地将探测器恢复到可以进行另一次探测的完备状态。
从这个角度来说，驱动电路对整个探测器性能的重要性绝不亚于探测器中的敏感器件本身。
所以我们在讨论一个单光子探测器技术或系统的时候，除了探测器中敏感元件的材料构成之外，也必须着重讨论与之配套的各种不同模式的驱动电路。
[2]3 常见探测器对比分析3.1 雪崩光电二极管（APD）单光子探测器光子探测技术作为超灵敏光电探测技术中的前沿科技，为超灵敏光学探测的各个应用领域带来了长足的进步。
雪崩光电二极管(APD)在众多光子探测器件中是一种发展相对成熟的半导体光电器件[3]，相对光电倍增管(PMT)、超导材料单光子探测器(SSPD)、量子点场效应探测器(QDEGFET)、可见光光子计数器(VLD)和光子频率上转换技术，其在具有高增益、大动态范围和低功耗的优点之外最大的优点就是外围辅助设备成熟简单且稳定。
在过去的30多年里,APD单光子探测器在超灵敏光学探测和量子光学领域都有着极为广泛的应用光电二极管的基本结构原理和普通二极管一样都是由包含空穴的半导体P型材料和包含载流子的半导体N型材料构成的，不同的掺杂元素制成不同的P/N型材料。
当外加的反向偏置电压超过其临界电压的时候，二极管工作在盖革模式(Geiger mode)下，被（光子之类的激发粒子）激发出来的漂移电子能获得足够的动能去冲击电离晶格中的原子并产生一个价电空穴，冲击产生的载流子会在外电场的作用下冲击电离出更多的载流子，如此一来，载流子就会如雪崩一般的增加，最终形成雪崩式反向击穿，形成光电雪崩效应，从而输出强度足以被检测出来的电信号。
雪崩光电二极管的暗噪声（暗计数）主要来自于半导体材料中的游离电子引发的雪崩效应，产生游离电子的原因有热效应和隨道击穿效应。
以热噪声为例，游离电子的密度与温度直接相关，温度越低游离电荷的活性也就越低，因此这种噪声也成为热噪声，所以雪崩光电二极管一般都需要进行制冷来抑制热噪声发生的概率。
此外，雪崩光电二极管还存在一种特殊的噪声：后脉冲(afterpulsing/after pulse)。
当一次光子或者热电子引发的雪崩效应产生后，雪崩电流流经APD，其中的品格缺陷会捕获载流子，这些载流子如果没有在本次释放中耗尽的话，就会积存在雪崩光电二极管中，从而使其处于非常不稳定的状态，在下次APD进入盖革模式后，- 3 -这些积存的电荷就可能引发雪崩，产生误计数。
这种在雪崩之后出现的非光子引发的雪崩噪声称作后脉冲。
一般来说，温度越低，品格缺陷释放载流子的时间越长，也就越容易导致后脉冲的产生。
3.2 光电倍增管单光子探测器光电倍增管是最早实现单光子探测并被广泛应用的元器件。
光电倍增管的核心器件由一个玻璃真空管、光阴极、若干级电子束倍增打拿极和一个电阳极组成。
光子入射到光阴极后由于光电效应被其吸收，然后释放出至多一个的光电子。
光电倍增管的对入射光波长的敏感范围由光电阴极的材料所决定，其变化度可以很大。
一般来说光电阴极包含一层蒸发镀膜上去的很薄的碱金属以及一种或多种第五类元素，一旦一个光电子从光电阴极发射出来后，他就在电场的作用下加速并冲击第一级充好电的打拿极，由这个冲击释放出来的电子继续被加速并冲击下一级打拿极。
接连设置的光电倍增管里的各级打拿极都被充电至比前一级更高的电势，从而这种电子冲撞被级联放大，导致受激电子数一级比一级多。
一般来说，光电倍增管的倍增指数都在104至109之间。
与半导体探测器相对较小的感光面相比，光电倍增管的大感光面是其一大优点，这个在光学收集方面的优势在应用于发散光源的时候就变得特别明显。
尽管光电倍增管的小型化有着不断的改进，但其物理尺寸仍然算是相对比较大的，而且其机械稳定性也较差，并且需要很高的工作偏置电压(一般需要一千伏特左右)，对真空管的依赖性也导致了其使用寿命比较有限。
虽然光电倍增管的探测效率在可见光范围内很大程度上不取决于入射光子的波长，但其在探测效率方面的表现仍比较低，其在可见光波段的探测效率一般介于10%至40%之间，且一般没有光子数分辨能力。
而且光电倍增管输出信号的时间抖动主要受到电子从光电阳极到电阴极的传输过程的波动影响，其输出信号的上升时间为1 ns左右。
这些表现在需要高探测效率和低时间抖动的时间相关光子计数应用时就显得非常不利。
光电倍增管中的噪声主要来自于离子反射、打拿极材料和玻璃外壳的荧光福射、以及热福射，若制冷到几十摄氏度时，其暗噪声可以达到每秒几十个的水平，一般来说光电倍增没有光子数分辨能力，其死时间一般为纳秒级别。
3.3 超导单光子探测器超导这种奇异的物理现象在一个世纪以前由Onnes所发现，这个突破性的进展向人们展示了吸收光子会影响超导态，从而具备探测光子的能力。
随着薄膜超导材料、微组装技术和激光技术的发展，超导福射探测器和热福射探测器也应运而生。
为了满足天文学等学科的应用需求，研究人员设计了数种工作在亚开尔文的- 4 -超低环境中的可以鉴别举光子能量的超导探测器[4]：超导随道结探测器(superconducting tunnel junction (STJ)) 、超导电阻转变沿传感器(transition edge sensor (TES))和超导动态电感探测器(kinetic inductance detector (KID)。
