单光子探测器选型与对比：PMT、MPPC/SiPM、SPAD_滨松光子学商贸(中国)有限公司

单光子探测器选型与对比：PMT、MPPC/SiPM、SPAD

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随着现代科技的迅猛发展，光子作为量子粒子的特性日益受到关注。然而，由于光子的微弱特性使得其在过去的许多年里难以被直接观测和探测，所以实现单光子的探测一直也是光探测器的重要研发目标。在平时的光学探测中，也会经常遇到光源或者发光物质的发光水平特别低，接近单光子级别的问题，用普通的PD或者APD是无法探测到单光子的信号。因为本身PD和APD也是存在探测下限，无法探测范围之外的微弱光信号。所以，在这种微弱光探测场合中，就需要使用到单光子探测器。那目前常见的单光子探测器是光电倍增管（PMT）了，除此之外，滨松也有其他的探测器能够做到单光子级别的探测，比如MPPC和SPAD。

光电倍增管（PMT）

光电倍增管的工作原理如下图所示：当光子到达阴极面的时候，由于光电效应会产生光电子，那产生的光电子在聚焦电场的作用下进入倍增级实现连续的倍增，从而实现电信号的连续放大，最后通过阳极输出，这个过程就实现了光信号的探测。

图1 端窗型光电倍增管结构

由于光电倍增管存在暗噪声，所以并不是所有的光电倍增管都能做到单光子的探测，滨松只有在型号后面带P标志的PMT才能做单光子探测，比如滨松R928P和R955P，区别于R928和R955，他们之间是存在一定的差异的，同时也会在参数手册中标明暗计数的水平。所以如果是选择光电倍增管裸管进行单光子探测，需要选择带P的光电倍增管才能进行探测。

表1 R928P/R928特性参数表

光子计数探头

除了光电倍增管裸管，也有光电倍增管模块，被称之为光子计数探头。那光子计数探头是在能够做单光子探测的光电倍增管的基础上增加了如下的信号处理电路，可以将单光子的输出信号转换为TTL 信号输出，那我们对TTL信号进行计数，就可以得到光子数量，方便我们的使用，那在不同型号光子计数探头的参数表中，也会标注暗计数的水平，具体的数值不同的型号存在一定的差异。下图是目前我们常见使用的光子计数探头的参数对比：

图2 光子信号处理电路示意图

表2 常见光子计数探头的参数对比表

硅光电倍增管（MPPC）

除了真空电子管类型的光子计数探测器之外，目前半导体器件也能够进行光子计数，常见的就是硅光电倍增管（MPPC/SiPM），也叫多像素光子计数器。它是一种由多个工作在盖革模式的雪崩光电二极管（APD）组成的光子计数型器件，其中APD是一种具有高速度、高灵敏度的光电二极管，当加有一定的反向偏压后，它就能够对光电流进行雪崩放大。而当APD的反向偏压高于击穿电压时，内部电场就会变强，光电流则会获得10⁵～10⁶的增益，这种工作模式就叫APD的“盖革模式”。在盖革模式下，光生载流子通过倍增就会产生一个大的光脉冲，而通过对这个脉冲的检测，就可以检测到单光子。目前滨松也有相应的单光子探测MPPC模块，客户无需外加信号处理，只需要给它供电就可以简单使用。常见的有以下几个型号：

表3 常见单光子检测MPPC参数对比表

单光子雪崩二极管（SPAD）

半导体的探测器中，单光子雪崩二极管也能进行单光子的探测，也称之为SPAD。SPAD可以理解为是单个MPPC像素形成的探测器，因为他只有一个像素点，也就是只有一个能工作在盖革模式下的APD，所以，它无法反应光强度的变化，只能是对光的有无做出反应。而MPPC由于是多个像素的阵列，可以根据输出信号的幅度来判断光信号的强度。目前滨松也提供SPAD的模块，简化了器件的使用。下图是目前滨松提供的SPAD模块的参数对比：

表4 SPAD模块参数对比表

其中光电倍增管是真空电子管器件，噪声的主要来源是阴极面的热电子发射，而MPPC和SPAD是半导体探测器，热电子也会产生载流子，也存在本底暗噪声，并且暗计数的水平明显高于光电倍增管的暗计数。所以，在实际使用的时候，我们需要结合信噪比和其他的参数来选择合适的单光子探测器。下图是我们常见的光子计数探头、MPPC模块和SPAD模块在不同数量的背景噪声光子信号下的信噪比的对比图。

(a) H10682-110、C13366-3050GD、C11202-050

（b） H7828、C13366-1350GD、C13001-01

（c） H10682-110、C13366-1350GD、C13001-01

根据上面的信噪比的对比我们可以发现，光电倍增管在单光子检测中，还是占有一定的优势。

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