基于單光子雪崩二極管陣列的成像技術研究進展（特邀）

孫鳴捷，王知冠，2

（1 北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院，北京100191）

（2 北京航空航天大學 未來空天技術學院/高等理工學院，北京100191）

0 引言

根據量子理論，光子是光能量的最小載體，因此光電探測器靈敏度的理論極限就是能探測單個光子。目前常用的單光子探測器包括光電倍增管（Photomultiplier Tube，PMT）［1］、單光子雪崩二極管（Single-Photon Avalanche Diode，SPAD）［2］以及超導納米線單光子探測器（Superconducting Nanowire Single-Photon Detector，SNSPD）［3］等。經過多年的發展，單光子探測器已經廣泛應用于生物光子學［4］、量子信息光學［5-6］、激光雷達［7］以及超快成像［8］等領域。

隨著超高速、時間相關光學成像技術的出現，越來越需要能夠以皮秒精度、高信噪比和高動態范圍采集單光子信息的多像素成像設備。PMT 與SNSPD 等探測器往往需要借助掃描設備才有可能獲得一定空間分辨率的圖像，系統的體積和成像時間限制了這類單光子探測器在成像領域中的廣泛應用。相比之下，SPAD 可以通過標準互補金屬氧化物半導體（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）工藝進行制造，這使得人們能夠以合理的成本制造小體積的SPAD 陣列。SPAD 是一種工作在極高反向偏壓下的光電二極管，當單個光子入射并產生載流子時，光生載流子會在反向偏壓的作用下不斷加速并碰撞產生新的電子-空穴對，從而在極短時間（一般在ps 量級）內產生雪崩電流信號，因此SPAD 在具備單光子探測能力的同時還能通過電信號的變化精確地測量光子的到達時間［9］。集成多個像素的SPAD 陣列具備并行的單光子信息采集能力，在探測效率方面優于傳統的單點掃描架構。……