單光子雪崩模式（蓋革模式）

IDQ單光子系列產品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。

當探測器檢測到光子時，會處于雪崩態，若雪崩狀態一直持續，探測裝置很快就會損壞，必須將其進行淬滅，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至擊穿電壓以上以使其再次進行探測。

僅當偏置電壓高于擊穿電壓時，探測器才能檢測到單光子信號。輸出信號與入射光強度不成比例。

圖1 雪崩模式（線性）與單光子雪崩模式（非線性）

單光子探測器的工作模式

1、自由運行模式

只有在雪崩發生后，偏置電壓才會在很短的時間內降到擊穿電壓以下，這段時間稱為死區時間，用于淬滅雪崩。在所有其他時間，偏置電壓高于擊穿電壓，SPAD處于探測狀態。

當探測到光子或暗計數，SPAD捕獲電子后發生雪崩。在裝置的檢測輸出端產生一個脈沖，并且觸發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狀態為關閉），直到死區時間結束。

自由運行模式對于光子到達時間未知的應用非常方便。

圖2 自由運行模式描述

2.門控模式

為了降低暗計數率，SPAD只能在短時間內將偏置電壓設置在擊穿電壓以上。這段時間（持續時間）稱為門，可通過外部或內部觸發器調節寬度和頻率。

探測器只在門打開期間進行計數。因此，門控模式用于光子到達時間已知的應用。此模式能顯著的降低暗計數率。

如果門未打開或處于死區時間（在上次探測到光子之后），則不會探測到光子。當探測器在門時間內探測到光子或暗計數時，在探測連接器處輸出脈沖。淬滅電子器件進行淬滅，使探測器處于死區時間。

圖3 選通模式描述自由運行與門控模式

圖4 自由運行與門控模式

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器，分為自由運行（Free-Running）和門控（ Gated）2種。

ID Qube

ID Qube NIR Free-Running給電信波長自由運行模式下的單光子探測帶來了重大突破。它為需要異步光子探測的應用提供了一種經濟高效的解決方案。例如光子相關性或飛行時間測量。而且它特別適合要求緊湊性的應用（如Lidar）。

ID Qube NIR Gated是為電信波長優化的快速門控單光子探測器。它為需要同步光子探測的應用提供了一種經濟高效的解決方案。例如量子通信，尤其是量子密鑰分配。

特點

◆波長范圍900 – 1700nm

◆探測效率最高可達25%

◆死時間范圍0.1 - 100 μs

◆超低暗計數率800Hz

◆低時間抖動150ps

◆自由運行模式/ 快速門控（高達100 MHz）

應用

◆量子通信

◆量子物理與光學

◆飛行時間測量（OTDR，激光雷達）

◆熒光壽命測量