單光子雪崩模式（蓋革模式）

IDQ單光子系列產(chǎn)品ID100，ID120，IDQube，ID221和ID230是基于SPAD（單光子雪崩二極管）的模塊。SPAD（單光子雪崩二極管）也稱為光子探測(cè)器。它們以蓋革模式工作，二極管上的偏置電壓高于擊穿電壓。

當(dāng)探測(cè)器檢測(cè)到光子時(shí)，會(huì)處于雪崩態(tài)，若雪崩狀態(tài)一直持續(xù)，探測(cè)裝置很快就會(huì)損壞，必須將其進(jìn)行淬滅，這表示要將偏置電壓降至擊穿電壓以下才能停止（淬滅）雪崩，然后將偏置電壓恢復(fù)至擊穿電壓以上以使其再次進(jìn)行探測(cè)。

僅當(dāng)偏置電壓高于擊穿電壓時(shí)，探測(cè)器才能檢測(cè)到單光子信號(hào)。輸出信號(hào)與入射光強(qiáng)度不成比例。

圖1 雪崩模式（線性）與單光子雪崩模式（非線性）

單光子探測(cè)器的工作模式

1、自由運(yùn)行模式

只有在雪崩發(fā)生后，偏置電壓才會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)降到擊穿電壓以下，這段時(shí)間稱為死區(qū)時(shí)間，用于淬滅雪崩。在所有其他時(shí)間，偏置電壓高于擊穿電壓，SPAD處于探測(cè)狀態(tài)。

當(dāng)探測(cè)到光子或暗計(jì)數(shù)，SPAD捕獲電子后發(fā)生雪崩。在裝置的檢測(cè)輸出端產(chǎn)生一個(gè)脈沖，并且觸發(fā)淬滅電子裝置停止雪崩。為了限制后脈沖，SPAD偏置電壓保持在擊穿以下（SPAD狀態(tài)為關(guān)閉），直到死區(qū)時(shí)間結(jié)束。

自由運(yùn)行模式對(duì)于光子到達(dá)時(shí)間未知的應(yīng)用非常方便。

圖2 自由運(yùn)行模式描述

2.門控模式

為了降低暗計(jì)數(shù)率，SPAD只能在短時(shí)間內(nèi)將偏置電壓設(shè)置在擊穿電壓以上。這段時(shí)間（持續(xù)時(shí)間）稱為門，可通過(guò)外部或內(nèi)部觸發(fā)器調(diào)節(jié)寬度和頻率。

探測(cè)器只在門打開(kāi)期間進(jìn)行計(jì)數(shù)。因此，門控模式用于光子到達(dá)時(shí)間已知的應(yīng)用。此模式能顯著的降低暗計(jì)數(shù)率。

如果門未打開(kāi)或處于死區(qū)時(shí)間（在上次探測(cè)到光子之后），則不會(huì)探測(cè)到光子。當(dāng)探測(cè)器在門時(shí)間內(nèi)探測(cè)到光子或暗計(jì)數(shù)時(shí)，在探測(cè)連接器處輸出脈沖。淬滅電子器件進(jìn)行淬滅，使探測(cè)器處于死區(qū)時(shí)間。

圖3 選通模式描述自由運(yùn)行與門控模式

圖4 自由運(yùn)行與門控模式

瑞士IDQ公司2020年的新品ID Qube系列是一款近紅外單光子探測(cè)器，分為自由運(yùn)行（Free-Running）和門控（ Gated）2種。

ID Qube

ID Qube NIR Free-Running給電信波長(zhǎng)自由運(yùn)行模式下的單光子探測(cè)帶來(lái)了重大突破。它為需要異步光子探測(cè)的應(yīng)用提供了一種經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。例如光子相關(guān)性或飛行時(shí)間測(cè)量。而且它特別適合要求緊湊性的應(yīng)用（如Lidar）。

ID Qube NIR Gated是為電信波長(zhǎng)優(yōu)化的快速門控單光子探測(cè)器。它為需要同步光子探測(cè)的應(yīng)用提供了一種經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。例如量子通信，尤其是量子密鑰分配。

特點(diǎn)

◆波長(zhǎng)范圍900 – 1700nm

◆探測(cè)效率最高可達(dá)25%

◆死時(shí)間范圍0.1 - 100 μs

◆超低暗計(jì)數(shù)率800Hz

◆低時(shí)間抖動(dòng)150ps

◆自由運(yùn)行模式/ 快速門控（高達(dá)100 MHz）

應(yīng)用

◆量子通信

◆量子物理與光學(xué)

◆飛行時(shí)間測(cè)量（OTDR，激光雷達(dá)）

◆熒光壽命測(cè)量