探测器在开始饱和之前只能计数这么多事件。系统可以有效测量的最大计数率由探测器的恢复时间决定：每次探测器被触发时，它需要很短但有限的时间来重置其电子器件。在此恢复时间内入射到探测器的光子不会被记录为探测事件。其结果被称为光子堆积效应。当光子的入射通量增加时，探测新到达光子的能力降低，系统整体探测效率降低（如下图1）。恢复时间越短，能够很好探测到的最大光子数越多。对于InGaAs SPAD，这种恢复时间通常是几百纳秒，对于最好的系统来讲，其最大计数率为几MHz。而对于SNSPD探测器，这个恢复时间更短，通常在几十纳秒内恢复。因此，SNSPD在探测器饱和之前可以有几十MHz的最大计数率。每秒钟探测到五千万个左右的光子是值得尊敬的，但我们能否做得更好呢？

图1：光子堆积效应的展示，在探测器输入大约2MHz（上方，绿色），10MHz（中间，红色）和50MHz（下方，蓝色）时的演示。探测到的光子被标记为一颗五角星，而在探测事件发生后很快到达探测器的错过的光子则被标记为一个空圆圈。单光子速率越低，探测到的光子比例越大，系统探测效率越高。

我们确实可以做得更好。光子堆积效应的一个巧妙解决方案是一种并行像素探测器设计，正如近期Matthieu Perrenoud等人在IDQ和日内瓦大学Hugo Zbinden研究小组的合作中所演示的那样。这里，一组超导探测器的电路并联在一起，采用一个读出电路（见图2），每个像素需要的恢复时间仍然是有限的，通过测量整个阵列的分布式信号，由于光子到达现在不太可能堆积在一个探测器像素，就可以实现相当高的单光子探测效率。

所有这些仍然通过单通道读出，这是在SNSPD系统中高速探测方法中定标所必须的。如果每个像素都有一个单独的读出通道，配套的电子元件将很快变得非常复杂，在SNSPD系统的低温环境中，增加的热负载将降低探测器的稳定性和噪声性能。这种并行像素设计，是一个优雅的可扩展的方法，以GHz的计数率应用于单光子探测。

图2：（来自Mathieu Perrenoud等人。并行像素SNSPD设计，包括原理图（上图）和SEM图像（下图））

日内瓦大学的SNSPD探测器的性能超出了预期。如图3所示，并行SNSPD设计的探测器在低速率时，系统探测效率与常规单像素SNSPD一样优异，效率轻松超过75%。然而，在较高的计数率下，并行设计发挥了作用，在1000万光子/秒的探测速率下，常规SNSPD的探测效率显著下降，超过2000万光子/秒时，其探测效率基本上为零。相比之下，并向像素SNSPD仍在接近峰值的性能运行。进一步提高探测速率，并行SNSPD可以计数超过1亿个光子/秒，同时仍然超过30%的系统探测效率。令人印象深刻的是，并行像素的SNSPD仍然能以6.6%的系统探测效率计数2亿个光子/秒。

图3：（来自Mathieu Perrenoud等人。对于常规SNSPD（左下曲线，紫色）和并行像素SNSPD（右上曲线，红色），系统探测效率随测量探测速率的变化）

---

[1] ‘Operation of parallel SNSPDs at high detection rates’, Matthieu Perrenoud, Misael Caloz, Emna Amri, Claire Autebert, Christian Schönenberger, Hugo Zbinden, Félix Bussières, 2021