AD200 可见光SPAD-单光子探测器

单光子探测已经成为当今许多应用的标准方法，从时间分辨荧光光谱，到单分子探测，以及量子光学。单光子探测器是多种系统的关键部件之一。

单光子探测器的评价指标主要有光子探测效率、暗计数率、死时间和时间抖动等。

1）光子探测效率PDE：主要由光输入耦合效率、光吸收率、本征探测效率共同决定。是单光子探测器的核心性能指标参数，PDE越接近100%，探测器性能越优异。

2）暗计数率DCR：表征探测器的暗噪声水平的指标，用每秒钟暗计数的个数表示。

3）死时间（恢复时间）：探测器探测一个光子后，性能恢复到可以进行下一次探测的时间，主要表征探测器的响应速度。

4）时间抖动timing jitter：表征光响应电子脉冲在时间上的不确定性。

目前，有多种类型的单光子探测器，适用于单光子探测系统。如单光子计数型光电倍增管（PMT），微通道板PMT（MCP-PMT），混合型光电倍增管（Hybrid PMT detector），单光子雪崩光电二极管（SPAD），SPAD阵列探测器，超导纳米线单光子探测器（SNSPD），单光子相机等。

其中，SPAD具有量子效率高，脉冲后效应几率低，价格经济等优点，因此在单光子探测，单分子实验和FCS实验中广泛使用。

雪崩二极管

SPAD单光子探测器的主要元器件为雪崩二极管（avalanche photodiode）。在电子学中，二极管是一种具有不对称传输特性的双端电子元件，在一个方向上对电流具有低（理想为零）电阻，在另一个方向上具有高（理想为无限）电阻。半导体二极管，今天最常见的类型，是一种晶体半导体材料，其P-N结连接到两个电端子。二极管最常见的功能是允许电流在一个方向（称为二极管的正向）通过，而阻止电流在相反的方向（反向）。

光电二极管是一种光电探测器，能够根据工作模式将光转换成电流或电压。光电二极管与普通半导体二极管类似，只是它们可以暴露在外，或者通过窗口或光纤连接进行封装，以允许光到达器件的敏感部分。许多专门用作光电二极管的二极管使用PIN结而不是p-n结来提高响应速度。光电二极管被设计成在反向偏压下工作。

雪崩光电二极管（APD）是一种高灵敏度半导体器件，利用光电效应（上图）将光转换成电的电子装置。APD可以看作是通过雪崩倍增提供内置第一级增益的光电探测器。通过施加高的反向偏压，由于碰撞电离（雪崩效应），APD显示出内部电流增益效应。一般来说，反向电压越高，增益越高。对于APD，反向电压总是低于击穿电压，APD对单光子的探测不够灵敏。二极管的击穿电压是使二极管反向导通的最小反向电压。

单光子雪崩二极管（SPAD）（也称为盖革模式APD、光子计数器、SPAD或单光子探测器）是一类具有反向偏压p-n结的固态光电探测器，其中光生载流子可因碰撞电离机制触发雪崩电流。SPAD能够探测到低强度信号（低到单个光子）。SPAD和APD的根本区别在于SPAD是专门设计用来在远高于击穿电压的反向偏置电压下工作的（相反，APD在低于击穿电压的偏置电压下工作）。这种操作在文献上也被称为盖革模式，与盖革计数器类似。

SPAD单光子探测器工作原理

这种模式也被称为盖革模式。APD有过大的偏电压，高于击穿值VBr，并且处于亚稳态（A点）。它保持在这个状态，直到一个主要的电荷载体被创建。在这种情况下，放大实际上是无限的，即使是单光子吸收也会导致导致宏观电流脉冲（A点到B点）的雪崩，可由适当的电子电路容易地检测到。

该电路还必须限制流过装置的电流值，以防止其损坏，并熄灭雪崩以重置装置（点B至C）。经过一段时间后，多余的偏压恢复（C点到A点），APD再次准备好检测单个光子。击穿电压的实际值取决于半导体材料、器件结构和温度。对于InGaAs/InP型APD，一般在50V左右，其探测效率和盖革模式下APD的噪声取决于过大的偏置电压。

AD200单光子探测器

Redwave Labs的AD200是一款紧凑且价格经济的单光子探测器模块，带有内置计数器。AD200基于在可见光谱范围内敏感的硅雪崩光电二极管。AD200的探测器在近可见光区域（约650nm）具有高量子效率， 650nm量子效率可达70%以上，800nm量子效率可达 55% 。AD200具有主动淬火和全数字温度控制功能，标配独立电源。