霍曉培,楊德振,喻松林,李豐君,蔡佳一

(1.華北光電技術(shù)研究所,北京 100015;2.貴州師范大學(xué),貴州 貴陽(yáng) 550001)

1 引 言

單光子探測(cè)器(single photon detector,SPD)在量子通信、空間探測(cè)和國(guó)防建設(shè)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。同時(shí),單光子探測(cè)器件日漸深入的研究及應(yīng)用推廣,也在一定程度上促進(jìn)了超導(dǎo)技術(shù)、光電探測(cè)及光電轉(zhuǎn)換技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展。

研究表明,單光子探測(cè)器可實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)光子量級(jí)的光能量捕獲和轉(zhuǎn)換。光是由大量的光粒子組合形成的,其中單個(gè)光子的能量極低,而單光子探測(cè)器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)光子量級(jí)的極低能量的探測(cè)。該探測(cè)器可通過(guò)計(jì)數(shù)器和甄別器等光子計(jì)數(shù)器對(duì)放大后的光電子信號(hào)進(jìn)行探測(cè)。對(duì)于能應(yīng)用于光量子信息器件的單光子探測(cè)器,器件的探測(cè)波長(zhǎng)范圍 、死區(qū)時(shí)間、暗計(jì)數(shù)率、探測(cè)效率以及抖動(dòng)時(shí)間等都是非常重要的參數(shù),對(duì)探測(cè)器的優(yōu)化也將圍繞這些參數(shù)來(lái)進(jìn)行。單光子探測(cè)器不僅在量子通信中的量子密鑰方面起著重要作用,同時(shí)在復(fù)雜環(huán)境下遠(yuǎn)程探測(cè)預(yù)警中也展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景,逐漸成為近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[1]。本文介紹了單光子探測(cè)器的工作原理,對(duì)不同種類單光子探測(cè)器現(xiàn)狀展開(kāi)研究分析,并概述了單光子探測(cè)器在量子通信、激光測(cè)距與成像和關(guān)聯(lián)成像的應(yīng)用。

2 單光子探測(cè)器原理、種類和評(píng)價(jià)指標(biāo)介紹

2.1 單光子探測(cè)原理

單光子探測(cè)器依靠其超高的靈敏度可以對(duì)單個(gè)光子進(jìn)行檢測(cè)和計(jì)數(shù),主要功能是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。該器件的探測(cè)原理主要基于光電效應(yīng)進(jìn)行探測(cè)的。光電效應(yīng)是光量子作用于探測(cè)器件后,原子或者分子的電子狀態(tài)隨之發(fā)生改變,通過(guò)對(duì)電子狀態(tài)變化的測(cè)量,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光子的測(cè)量。光電效應(yīng)可分為內(nèi)光電效應(yīng)和外光電效應(yīng),內(nèi)光電效應(yīng)是由于光量子作用引發(fā)電化學(xué)性質(zhì)變化的方式；外光電效應(yīng)則是探測(cè)元件吸收光子并激發(fā)逸出電子的方式。

2.2 單光子探測(cè)器種類

目前,常用的單光子探測(cè)器件主要有光電倍增管(photomultiplier tube,PMT)、雪崩光電二極管(Avalanche Photo Diode,APD)及超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)(Superconducting Nanowire Single Photon Detector,SNSPD)等。其中,光電倍增管和雪崩光電二極管都屬于傳統(tǒng)單光子技術(shù)的光電器件。光電倍增管由光窗、光電陰極、聚焦電極、倍增極及陽(yáng)極等部分組成,結(jié)構(gòu)如圖1所示。其是一種能將微弱的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成可測(cè)電信號(hào)的真空光敏器件,原理主要涉及外光電效應(yīng)及二次發(fā)射理論。當(dāng)光照到光電陰極時(shí),陰極在光子作用下向真空激發(fā)出光電子,逸出的電子在聚焦極外電場(chǎng)作用下經(jīng)聚焦電極加速進(jìn)入倍增系統(tǒng),通過(guò)控制倍增級(jí)的加載電壓,進(jìn)而使次極釋放數(shù)百倍等更多電子,最后高電位的陽(yáng)極把放大后的光電流收集起來(lái),形成陽(yáng)極電流或電壓輸出。

圖1 雪崩二極管的典型結(jié)構(gòu)

雪崩光電二極管是具有內(nèi)部光電增益的半導(dǎo)體光電子器件,利用載流子的雪崩倍增效應(yīng)來(lái)放大光電信號(hào),如圖2所示。其常常采用易產(chǎn)生雪崩倍增效應(yīng)的硅或鍺材質(zhì)制成的P-N結(jié)型光電二極管結(jié)構(gòu),PN結(jié)工作時(shí)加上合適的高反向偏壓,射入的光被PN結(jié)吸收后會(huì)形成光電流。反向偏壓加大時(shí),會(huì)產(chǎn)生“雪崩”(即光電流成倍地激增)的現(xiàn)象。其涉及原理是內(nèi)光電效應(yīng),具有低功耗、可靠性高、輕量化等特點(diǎn),常用于量子通信和激光測(cè)距成像等領(lǐng)域。

近年來(lái),隨著光電探測(cè)技術(shù)以及新型結(jié)構(gòu)的發(fā)展,出現(xiàn)了基于量子點(diǎn)的單光子探測(cè)器、可見(jiàn)光子計(jì)數(shù)器、基于頻率上轉(zhuǎn)換技術(shù)的單光子探測(cè)器和超導(dǎo)單光子探測(cè)器等多種新穎光電探測(cè)器。

2.3 主要評(píng)價(jià)指標(biāo)

單光子探測(cè)器的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有光子探測(cè)效率、暗計(jì)數(shù)率、死時(shí)間和時(shí)間抖動(dòng)等。另外,光敏面尺寸、光子數(shù)分辨能力、光譜響應(yīng)波長(zhǎng)等也是需要考慮的性能參數(shù)。

1)光子探測(cè)效率 PDE。PDE 由光耦合效率、光吸收效率和本征探測(cè)效率共同決定,是探測(cè)器的核心評(píng)判指標(biāo)。 PDE越接近100 %,探測(cè)器性能越優(yōu)秀。

(1)

2)暗計(jì)數(shù)率DCR。暗計(jì)數(shù)率是表征探測(cè)器件噪聲水平的指標(biāo),用每秒鐘暗計(jì)數(shù)的個(gè)數(shù)表示。一個(gè)優(yōu)秀的探測(cè)器不僅信號(hào)響應(yīng)能力強(qiáng),同時(shí)應(yīng)做到低噪聲。

(2)

3)死時(shí)間Dead time。探測(cè)器產(chǎn)生一個(gè)光子響應(yīng)后會(huì)有一段恢復(fù)時(shí)間才能進(jìn)行下一次探測(cè),這段時(shí)間稱為死時(shí)間,是表征器件響應(yīng)速度的指標(biāo)。

4)時(shí)間抖動(dòng)Timing jitter。時(shí)間抖動(dòng)是表征光響應(yīng)脈沖在時(shí)域上的不確定性,直接決定了基于光子飛行時(shí)間的激光測(cè)距的空間分辨率。

3 國(guó)內(nèi)外探測(cè)器件發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 雪崩單光子探測(cè)器

目前,雪崩單光子探測(cè)器件發(fā)展成熟,國(guó)外已經(jīng)有許多公司研制出此類單光子探測(cè)器產(chǎn)品,比如美國(guó)的Princeton Lightwave公司研制的SPAD系列以及日本的Hamamatsu Photonics濱松公司的系列產(chǎn)品。圖3為濱松公司生產(chǎn)的硅APD、銦鎵砷APD、硅APD陣列系列樣圖及其光譜響應(yīng)曲線圖。硅APD在弱光檢測(cè)中具有高速、高靈敏度特點(diǎn),主要工作在波長(zhǎng)為400～1100 nm范圍之間,且具備增益機(jī)制。銦鎵砷APD則工作在900～1700 nm之間,具備低噪聲和更高截止頻率等特點(diǎn)。硅APD陣列則具有低噪聲和短波范圍高靈敏度的特點(diǎn)。

圖3 濱松公司生產(chǎn)的APD系列樣圖及其光譜響應(yīng)曲線圖

在國(guó)內(nèi),對(duì)于雪崩光電二極管的研究起步較晚,南京大學(xué)寬禁帶半導(dǎo)體器件與微納光電實(shí)驗(yàn)室在國(guó)內(nèi)首先實(shí)現(xiàn)了以W碳化硅和III族碳化物等半導(dǎo)體材料制作的SiC-APD為核心器件的單光子探測(cè)器,其具備低暗計(jì)數(shù)率、高探測(cè)效率和可達(dá)納秒量級(jí)的響應(yīng)速度的優(yōu)異特點(diǎn),此外可實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)為210～370 nm范圍之間,擊穿電壓為170 V等工作特性[2],如圖4所示。

圖4 SiC-APD器件的雪崩増益特性

SiC-APD器件可獲得很低的暗電流,雪崩發(fā)生前保持在1×10-13A量級(jí),在190 V偏壓下,雪崩增益大于1×106。上海技術(shù)物理研究所近幾年的APD單光子探測(cè)器研究上取得了一系列的突破。成功研制了在1550 nm的工作波段上實(shí)現(xiàn)探測(cè)效率10 %,門脈沖頻率1 GHz,暗計(jì)數(shù)率24 kHz,暗電流僅為0.47 nA的蓋格模式單光子探測(cè)器；該探測(cè)器在1064 nm波段上實(shí)現(xiàn)探測(cè)率30 %,暗計(jì)數(shù)率8 kHz,死時(shí)間80 ns下脈沖概率達(dá)到1.4 %。同時(shí)該單位還開(kāi)展了量子型單光子探測(cè)器件的研究,在77 K溫度下實(shí)現(xiàn)了近紅外光子數(shù)分辨的能力,并在常規(guī)的APD器件基礎(chǔ)上開(kāi)展微納調(diào)控新結(jié)構(gòu)的研究,在1550 nm的工作波段上達(dá)到了暗電流僅為2.5×10-2nA,新的結(jié)構(gòu)同時(shí)可以超越常規(guī)結(jié)構(gòu)的速度極限[3]。2018年,西南技術(shù)物理研究所和電子科技大學(xué)等單位相繼開(kāi)展了Si-SPAD和InGaAs/InP SPAD焦平面組件技術(shù)研究,成功制作了64×1線性模型Si-APD陣列、32×32和64×64 Si SPAD陣列,并應(yīng)用于無(wú)人駕駛汽車等激光測(cè)距平臺(tái)；還開(kāi)發(fā)了32×32和64×64 InGaAsP/InP SPAD陣列,并構(gòu)建了三維成像激光雷達(dá)[4]。2021年,重慶光電技術(shù)研究所設(shè)計(jì)的一種基于InGaAsP/InP SPAD的單光子探測(cè)器模塊,在-30 ℃,探測(cè)效率為30.2 %下,暗計(jì)數(shù)率僅為1.9 kHz,在死時(shí)間為0.8 μs時(shí),后脈沖為10.4 %[5]。

3.2 超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器件

基于Si 的 APD 和 PMT 器件大多只能實(shí)現(xiàn)在可見(jiàn)光波段單光子的有效探測(cè)；隨后發(fā)展起來(lái)的基于InGaAs/InP的SPD可以實(shí)現(xiàn)在近紅外波段實(shí)現(xiàn)探測(cè),但其性能和可見(jiàn)光波段SPD相差較遠(yuǎn)；隨后發(fā)展的超導(dǎo)SPD 技術(shù)也因計(jì)數(shù)率低、時(shí)間抖動(dòng)大和極低溫度要求等因素限制其廣泛應(yīng)用,故亟需發(fā)展綜合性能優(yōu)異的新型探測(cè)技術(shù)。

2001年,Goltsman 等人首先利用約 5 nm 厚的超薄NbN帶制備了一條200 nm寬的超導(dǎo)納米線,成功實(shí)現(xiàn)了可見(jiàn)光和近紅外的超快單光子探測(cè)和計(jì)數(shù),為隨后超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器(superconducting SPD,SNSPD)的研究奠定了基礎(chǔ)[6]。隨著對(duì)SNSPD 的制備材料和探測(cè)原理的深入研究,SNSPD 在近紅外波段的綜合性能指標(biāo)明顯優(yōu)于其他種類的單光子探測(cè)器。2009 年,Robert Hadield概述了SNSPD在探測(cè)技術(shù)方面取得的重大進(jìn)展,以及這些發(fā)展對(duì)量子光學(xué)和量子信息領(lǐng)域產(chǎn)生的影響[7]。2012 年,Natarajan等人基于SNSPD探測(cè)原理,概述了SNSPD設(shè)備性能的改進(jìn)；在實(shí)用制冷技術(shù)和光學(xué)耦合方案的研究上以及其應(yīng)用領(lǐng)域做了系統(tǒng)性的介紹[8]。2021年,Esmaeil Zadeh等人回顧了SNSPD的發(fā)展歷史、工作機(jī)制、制造方法、超導(dǎo)材料、讀出方案及應(yīng)用發(fā)展,對(duì)SNSPD的低溫裝置集成化進(jìn)行了展望[9]。隨著SNSPD的不斷發(fā)展,其在1550 nm 工作波長(zhǎng)的探測(cè)效率目前甚至超過(guò)了90 %,遠(yuǎn)超于其他種類探測(cè)器的探測(cè)效率。

國(guó)內(nèi)雖然在該領(lǐng)域的研究工作起步較晚,但是超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)已經(jīng)走在世界的前列。2014年,南京大學(xué)超導(dǎo)電子學(xué)研究所研制的SNSPD在1550 nm波段探測(cè)效率最高達(dá)到75 %,暗計(jì)數(shù)小于100 cps[10]。2017年,中科院上海微系統(tǒng)所尤立星研究團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次采用NbN超薄薄膜成功實(shí)現(xiàn)了1550 nm工作波長(zhǎng)、光子探測(cè)效率超過(guò)90 %的SNSPD[11]。 2019年,該團(tuán)隊(duì)通過(guò)在介質(zhì)鏡上用雙層納米線取代單層納米線研制出的SNSPD 器件,實(shí)現(xiàn)了光子響應(yīng)概率和吸收效率同時(shí)提升。在0.8 K條件下,該探測(cè)器在1590 nm處的最大光子探測(cè)效率(PDE)為98 %,在1530～1630 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光子探測(cè)效率達(dá)到95 %以上。此外,在2.1 K條件下,探測(cè)器在1550 nm處的最大PDE為95 %[12]。表1為SNSPD 研發(fā)代表性機(jī)構(gòu)及性能信息。

表1 SNSPD 研發(fā)機(jī)構(gòu)及性能信息

超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器作為新興的光子探測(cè)器,其死時(shí)間極短,暗計(jì)數(shù)很小,用于單光子測(cè)距可以忽略?；谏鲜鰞?yōu)勢(shì),其越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于激光測(cè)距和成像以及量子通信等領(lǐng)域。

4 單光子探測(cè)器件應(yīng)用發(fā)展

4.1 量子通信應(yīng)用

量子通信利用量子糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞,是基于量子態(tài)進(jìn)行傳輸?shù)摹，F(xiàn)有的量子通信實(shí)驗(yàn)一般以光子為量子態(tài)載體,由電磁波攜帶信息,其表現(xiàn)形式即為光子態(tài)傳輸。單光子探測(cè)器從傳統(tǒng)的光電倍增管到半導(dǎo)體材料的硅管、銦鎵砷管再到超導(dǎo)單光子探測(cè)器,現(xiàn)已發(fā)展到可以適用于不同場(chǎng)合工作。

量子密鑰分配(Quantum Key Distribution,QKD)于1984年提出,允許兩個(gè)用戶通過(guò)一個(gè)潛在的不安全的量子通道交換可證明安全的密鑰[13]。2015年,Boris Korzh提出的基于InGaAs SPD(PDE為20～22 %,DCR為1 cps)的相干單向協(xié)議的QKD系統(tǒng),能夠在307公里的超低損耗光纖(51.9 dB損耗)上分發(fā)可證明安全的密碼密鑰[14]。SNSPD具有探測(cè)效率高、暗特性計(jì)數(shù)率低、時(shí)間抖動(dòng)小等特點(diǎn),越來(lái)越廣泛應(yīng)用于QKD實(shí)驗(yàn)。2005年,Hadfield等人首次利用SNSPD進(jìn)行QKD實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證了超過(guò)42.5 km的安全密鑰速率交換。但受限于當(dāng)時(shí) SNSPD 系統(tǒng)的工作性能,QKD系統(tǒng)誤碼率較高[15]。2007年,Takesue等人報(bào)道了使用SNSPD在200 km光纖上實(shí)現(xiàn)12.1 bps安全密鑰率的QKD記錄,超過(guò)了使用SPAD實(shí)現(xiàn)的距離記錄[16]。此后,越來(lái)越多的QKD實(shí)驗(yàn)使用SNSPD進(jìn)行,有效地提高了QKD距離和密鑰率。2021 年,PITTALUGA M提出的一種基于 SNSPD 的波分復(fù)用TF-QKD雙場(chǎng)量子密鑰分配實(shí)現(xiàn)了超過(guò) 600 km 的通信距離以及提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)的安全密鑰速率[17]。

國(guó)內(nèi)單光子探測(cè)器在量子通信領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了突破性進(jìn)步,2020年,中科院與清華大學(xué)合作,基于高計(jì)數(shù)率低噪聲單光子探測(cè)器,突破遠(yuǎn)距離獨(dú)立激光相位干涉技術(shù),分別實(shí)現(xiàn)了500公里量級(jí)真實(shí)環(huán)境光纖的雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)(TF-QKD)、相位匹配量子密鑰分發(fā)(PM-QKD)[18]。2022年,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦團(tuán)隊(duì),基于0.1274 Hz暗記數(shù)且時(shí)間抖動(dòng)小于50 ps的超導(dǎo)探測(cè)器,改進(jìn)四相位調(diào)制雙場(chǎng)協(xié)議,并進(jìn)一步提升了獨(dú)立光源的鎖相穩(wěn)頻特性,將光纖雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)的安全傳輸距離延長(zhǎng)至833 km[19]。

單光子探測(cè)器的探測(cè)效率、暗計(jì)數(shù)水平、后脈沖水平以及可達(dá)到的工作頻率等性能提升直接影響著量子通信系統(tǒng)。未來(lái)提高光子探測(cè)效率和降低暗計(jì)數(shù)率等探測(cè)器性能的改進(jìn)和新的協(xié)議等理論發(fā)展,可有效提高QKD距離和密鑰率,促進(jìn)QKD的發(fā)展。

4.2 單光子激光測(cè)距

激光測(cè)距主要包括飛行時(shí)間法(TOF)、干涉法和三角法。近年來(lái)隨著單光子探測(cè)器的發(fā)展,激光測(cè)距又衍生出一種新的測(cè)距方式,即單光子激光測(cè)距法。單光子激光測(cè)距系統(tǒng)中光子探測(cè)器可以對(duì)光子進(jìn)行響應(yīng),從而實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的測(cè)量。

2000年,Pellegrini等使用調(diào) Q激光器(25 MHz重復(fù)頻率、850 nm發(fā)射波長(zhǎng)、10 ps脈寬和10 pJ脈沖能量)和Si-APD探測(cè)反射回波檢測(cè)非合作目標(biāo)表面的散射信號(hào),實(shí)現(xiàn)50 m的探測(cè)距離,對(duì)10個(gè)返回的光子獲得了約3 mm的深度分辨率[20]。 2007年,英國(guó)赫瑞瓦特大學(xué)Warburton等人首次在1550 nm波長(zhǎng)下使用SNSPD(抖動(dòng)約70ps)在330 m距離實(shí)現(xiàn)了1 cm的地對(duì)地分辨率和4 mm的深度分辨率[21]。2009年,McCarthy等添加一個(gè)掃描飛行時(shí)間系統(tǒng),利用Si-SPAD(有源面積直徑180 μm,約400 ps抖動(dòng))時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)技術(shù),在白天條件下實(shí)現(xiàn)了對(duì)325 m外低特征目標(biāo)的厘米級(jí)深度分辨率的探測(cè)[22]。2016年,Degnan等研制出了采用60 kHz頻率和亞納秒脈寬的頻脈沖激光器,然后利用 Gm-APD陣列來(lái)接收目標(biāo)反射回波的機(jī)載平臺(tái)下的單光子激光測(cè)距系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了亞分米水平的測(cè)量精度[23]。

國(guó)內(nèi)在激光測(cè)距領(lǐng)域也實(shí)現(xiàn)了精度和距離的進(jìn)步。2017年,南京大學(xué)使用SNSPD激光雷達(dá)系統(tǒng)(1064 nm波長(zhǎng),DCR小于100 cps)在海霧分布特征下實(shí)現(xiàn)了180 km直徑的遠(yuǎn)距離測(cè)距區(qū)[24]。2020年,中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)張海濤等將陣列超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器和多通道事件計(jì)時(shí)器等陣列探測(cè)技術(shù)應(yīng)用于激光測(cè)距試驗(yàn)系統(tǒng)中,成功對(duì)軌道高度為1000 km、雷達(dá)截面積為0.045 m2的小目標(biāo)進(jìn)行了精準(zhǔn)探測(cè)[25]。2021年,華東師范大學(xué)在單光子測(cè)距系統(tǒng)中引入?yún)⒖嘉恢?有效抑制了系統(tǒng)延時(shí)漂移,光子飛行時(shí)間測(cè)量精度達(dá)到0.5 ps,在2 m測(cè)距距離處,單測(cè)距精度達(dá)到 65 μm[26]。表2為不同探測(cè)器在單光子激光測(cè)距應(yīng)用的性能信息。

表2 不同探測(cè)器在單光子激光測(cè)距應(yīng)用性能信息

目前,應(yīng)用于單光子測(cè)距系統(tǒng)的探測(cè)器有雪崩光電二極管和超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器等,根據(jù)具體工作場(chǎng)合環(huán)境使用合適性能的探測(cè)器,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)距。死時(shí)間極短和低暗計(jì)數(shù)等性能優(yōu)化是未來(lái)改進(jìn)單光子探測(cè)器的主要方向。

4.3 單光子成像

隨著自時(shí)間相關(guān)的光子計(jì)數(shù)激光測(cè)距技術(shù)的逐漸發(fā)展,光子計(jì)數(shù)激光測(cè)距系統(tǒng)時(shí)間分辨率也在逐漸提高。在單光子探測(cè)器成像方面,國(guó)內(nèi)發(fā)展較快,同美國(guó)等國(guó)家已走在世界前列。近年來(lái)單光子成像研究工作如下。2011年,中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所在單點(diǎn)激光測(cè)距的基礎(chǔ)上,基于被動(dòng)調(diào)Q激光器(13 kHz重復(fù)頻率、532 nm發(fā)射波長(zhǎng)、600 ps脈寬和1 μJ單脈沖能量)研制出了光子計(jì)數(shù)三維成像激光雷達(dá)系統(tǒng)[28];2013年,中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所利用26.8 ps極低抖動(dòng)的SNSPD器件開(kāi)展了1550 nm波段的測(cè)距實(shí)驗(yàn),成功實(shí)現(xiàn)了115 m的激光測(cè)距成像和4 mm 的深度分辨率[27];同年,英國(guó)赫瑞瓦特大學(xué)Buller團(tuán)隊(duì)率先將1560 nm波段的SNSPD器件引入飛行時(shí)間深度成像系統(tǒng)中,在日光下實(shí)現(xiàn)了1 km外的物體成像,并獲得厘米量級(jí)的分辨率[29];2020年,美國(guó)噴氣推進(jìn)(JPL)實(shí)驗(yàn)室與麻省理工學(xué)院(MIT)合作使用了特殊的化鈮SNSPD,在1550 nm波長(zhǎng)下實(shí)現(xiàn)了抖動(dòng)約3 ps的時(shí)間分辨率,且成像精度達(dá)到了亞毫米級(jí)別[30];2020年,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)利用超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器實(shí)現(xiàn)了對(duì)45 km遠(yuǎn)距離的3D 成像實(shí)驗(yàn)[31]。

2021年,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)徐飛虎等利用InGaAs/InP SPAD探測(cè)器(20 %PDE,210ps抖動(dòng),2.8 kHz暗計(jì)數(shù)率,32 ps時(shí)間分辨率)實(shí)現(xiàn)了在1.43 km范圍內(nèi)的非視域成像和隱藏物體的實(shí)時(shí)跟蹤[32];同年,該研究團(tuán)隊(duì)利用脈沖泵浦頻率上轉(zhuǎn)換探測(cè)技術(shù)以及長(zhǎng)波泵浦和時(shí)間域?yàn)V波方式,實(shí)現(xiàn)了1.4 ps時(shí)間分辨率和5 Hz暗計(jì)數(shù)率的近紅外單光子探測(cè)器,最終該實(shí)驗(yàn)成功對(duì)視域外毫米級(jí)大小的字母實(shí)現(xiàn)了高精度非視域成像,為技術(shù)的實(shí)用化發(fā)展奠定了研究基礎(chǔ)[33]。此外,徐飛虎團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)緊湊的同軸單光子激光雷達(dá)系統(tǒng),采用新的噪聲抑制技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)三維成像高達(dá)201.5 km,每像素只有0.44個(gè)信號(hào)光子。在超長(zhǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)實(shí)用、低功率激光雷達(dá)的重要一步。圖5為該文章201.5 km以上的遠(yuǎn)程主動(dòng)成像說(shuō)明[34]。

圖5 遠(yuǎn)程主動(dòng)單光子成像機(jī)理與效果圖[34]

單光激光測(cè)距技術(shù)作為新興的激光測(cè)距方法,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)距離激光測(cè)距和單光子激光成像等領(lǐng)域,并且取得重大研究進(jìn)展。

4.4 量子關(guān)聯(lián)成像

上節(jié)介紹的是基于光子飛行時(shí)間的測(cè)距成像,是一種非關(guān)聯(lián)成像。此外還有基于光子在時(shí)空域上相關(guān)性的關(guān)聯(lián)成像。量子關(guān)聯(lián)成像又稱為鬼成像或雙光子成像,鬼成像是光電流的關(guān)聯(lián)測(cè)量獲取物體圖像信息的新型成像方式。如圖6所示,鬼成像是基于雙光路的成像,其中一束光(信號(hào)光)作用于待成像物體,照射在一不具有空間分辨能力的桶探測(cè)器；另一束光(參考光)不作用于物體,直接照射在一個(gè)具有空間分辨能力的探測(cè)器上,將兩束光路信號(hào)符合運(yùn)算得到光強(qiáng)總值,即可恢復(fù)物體的像。最早的關(guān)聯(lián)成像方案使用糾纏雙光子作為光源并且具有非定域成像、突破瑞利衍射極限等奇特性質(zhì),因此受到了人們的廣泛關(guān)注[35-36]。

圖6 鬼成像示意圖[37]

鬼成像的研究過(guò)程大致如下:1995年,馬里蘭大學(xué)的史硯華小組利用自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的糾纏行為光子對(duì)完成了首例鬼成像實(shí)驗(yàn)[38]。2002年,Bennink等利用經(jīng)典光源的隨機(jī)漲落而不是糾纏光源同樣完成了鬼成像實(shí)驗(yàn)[39]。隨后,大多數(shù)鬼成像是基于贗熱光源完成的。2005 年,相較于以往實(shí)驗(yàn)使用隨機(jī)散射激光,中國(guó)科學(xué)院的吳令安團(tuán)隊(duì)在世界上首次實(shí)現(xiàn)了易獲得和測(cè)量且光源相干時(shí)間較短的真熱光源無(wú)透鏡量子成像[40]。隨后,為提高鬼成像速度和質(zhì)量,學(xué)者們進(jìn)行了諸多研究。2009年,KATZ O等基于壓縮感知技術(shù),提高了成像質(zhì)量[41]。韓申生等提出通過(guò)引入稀疏約束,利用壓縮感知理論可實(shí)現(xiàn)超分辨鬼成像[42]。2010年,意大利Lugiato團(tuán)隊(duì)提出差分鬼成像(differential ghost imaging,DGI)技術(shù),其可以以絕對(duì)單位測(cè)量物體的透射函數(shù),提高基于空間相關(guān)波束成像信噪比,使量子成像的成像質(zhì)量得到顯著提升[43]。 2015 年,上海光機(jī)所提出了一種結(jié)構(gòu)化圖像重構(gòu)技術(shù),通過(guò)引入正交性約束方法顯著提高了三維鬼成像激光雷達(dá)的成像質(zhì)量[44]。 2016 年,清華大學(xué)戴瓊海團(tuán)隊(duì)利用空間光調(diào)制器的冗余空間分辨率來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)制頻率的倍增,完成了42 Hz、80 × 80 分辨率的動(dòng)態(tài)目標(biāo)成像[45]。2018年,孫鳴捷等提出了一種基于LED的高速照明模塊的計(jì)算鬼成像方案。 在32×32像素分辨率下,實(shí)現(xiàn)了1000 f/s幀率的連續(xù)成像,比之前的鬼成像系統(tǒng)高出約2個(gè)數(shù)量級(jí)[46]。2021年,Teruaki Torii等提出了一種新的時(shí)分鬼成像方法,將相關(guān)函數(shù)計(jì)算過(guò)程中的圖案總數(shù)劃分為具有較少光照?qǐng)D案的子單元,然后計(jì)算每個(gè)子單元的相關(guān)性,并對(duì)每個(gè)子單元獲得的中間圖像進(jìn)行合成。該方法實(shí)現(xiàn)了在低信噪比情況下可重建出高質(zhì)量圖像[47]。

鬼成像作為作為一種新型的成像技術(shù),未來(lái)與激光雷達(dá)、光學(xué)加密、邊緣檢測(cè)、3D成像、高光譜、窄帶濾光和超衍射極限分辨等應(yīng)用光學(xué)和成像技術(shù)領(lǐng)域的高精尖技術(shù)手段的結(jié)合可以衍生出了眾多有廣闊應(yīng)用前景的研究方向。

5 總 結(jié)

本文主要介紹了國(guó)內(nèi)外對(duì)單光子探測(cè)器件的研究和應(yīng)用。現(xiàn)階段,單光子探測(cè)器主要從光學(xué)結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)優(yōu)化、光學(xué)與器件的集成與小型化等器件設(shè)計(jì)和在遠(yuǎn)距離探測(cè)成像和量子關(guān)聯(lián)成像等應(yīng)用領(lǐng)域展開(kāi)研究并取得了長(zhǎng)足發(fā)展。對(duì)于傳統(tǒng)單光子器件比如雪崩二極管等,仍需要對(duì)其光譜響應(yīng)范圍和暗計(jì)數(shù)率等技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行深入研究。對(duì)于新興的SNSPD 器件,其優(yōu)勢(shì)明顯,該探測(cè)器探測(cè)效率高、死時(shí)間極短、暗計(jì)數(shù)很小,具備優(yōu)秀的光電性能。但SNSPD嚴(yán)格的溫度要求限制了其應(yīng)用,綜上所述,低溫裝置集成化、小型化、常溫低噪聲等性能是單光子探測(cè)器未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)和難點(diǎn)。隨著材料制備技術(shù)進(jìn)步和器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化發(fā)展,單光子光電探測(cè)器未來(lái)將有望獲得更高光電性能,實(shí)現(xiàn)更為廣泛的應(yīng)用。