IDQ单光子探测器的工作模式简析

单光子雪崩模式（盖革模式）

IDQ单光子系列产品ID100，ID120，IDQube，ID221和ID230是基于SPAD（单光子雪崩二极管）的模块。SPAD（单光子雪崩二极管）也称为光子探测器。它们以盖革模式工作，二极管上的偏置电压高于击穿电压。

当探测器检测到光子时，会处于雪崩态，若雪崩状态一直持续，探测装置很快就会损坏，必须将其进行淬灭，这表示要将偏置电压降至击穿电压以下才能停止（淬灭）雪崩，然后将偏置电压恢复至击穿电压以上以使其再次进行探测。

仅当偏置电压高于击穿电压时，探测器才能检测到单光子信号。输出信号与入射光强度不成比例。

图1 雪崩模式（线性）与单光子雪崩模式（非线性）

单光子探测器的工作模式

1、自由运行模式

只有在雪崩发生后，偏置电压才会在很短的时间内降到击穿电压以下，这段时间称为死区时间，用于淬灭雪崩。在所有其他时间，偏置电压高于击穿电压，SPAD处于探测状态。

当探测到光子或暗计数，SPAD捕获电子后发生雪崩。在装置的检测输出端产生一个脉冲，并且触发淬灭电子装置停止雪崩。为了限制后脉冲，SPAD偏置电压保持在击穿以下（SPAD状态为关闭），直到死区时间结束。

自由运行模式对于光子到达时间未知的应用非常方便。

图2 自由运行模式描述

2.门控模式

为了降低暗计数率，SPAD只能在短时间内将偏置电压设置在击穿电压以上。这段时间（持续时间）称为门，可通过外部或内部触发器调节宽度和频率。

探测器只在门打开期间进行计数。因此，门控模式用于光子到达时间已知的应用。此模式能显著的降低暗计数率。

如果门未打开或处于死区时间（在上次探测到光子之后），则不会探测到光子。当探测器在门时间内探测到光子或暗计数时，在探测连接器处输出脉冲。淬灭电子器件进行淬灭，使探测器处于死区时间。

图3 选通模式描述自由运行与门控模式

图4 自由运行与门控模式

瑞士IDQ公司2020年的新品ID Qube系列是一款近红外单光子探测器，分为自由运行（Free-Running）和门控（ Gated）2种。

ID Qube

ID Qube NIR Free-Running给电信波长自由运行模式下的单光子探测带来了重大突破。它为需要异步光子探测的应用提供了一种经济高效的解决方案。例如光子相关性或飞行时间测量。而且它特别适合要求紧凑性的应用（如Lidar）。

ID Qube NIR Gated是为电信波长优化的快速门控单光子探测器。它为需要同步光子探测的应用提供了一种经济高效的解决方案。例如量子通信，尤其是量子密钥分配。

特点

◆波长范围900 – 1700nm

◆探测效率最高可达25%

◆死时间范围0.1 - 100 μs

◆超低暗计数率800Hz

◆低时间抖动150ps

◆自由运行模式/ 快速门控（高达100 MHz）

应用

◆量子通信

◆量子物理与光学

◆飞行时间测量（OTDR，激光雷达）

◆荧光寿命测量