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为解决 InGaAs (P) 单光子雪崩二极管（SPAD）光敏面积小、噪声计数高等问题，研究人员开展了大光敏面积、低功耗、高性能近红外单光子探测器（SPD）的研究。结果显示开发出两种低暗计数率的 SPD，对激光雷达等应用意义重大。
在光电子技术蓬勃发展的今天，单光子探测器作为其中的关键一环，其性能优劣直接影响着众多领域的发展进程。在激光雷达（LiDAR）以及量子信息应用领域，对单光子探测器的需求与日俱增。然而，当前主流的单光子探测器，尤其是基于 InGaAs (P) 单光子雪崩二极管（SPAD）的探测器，面临着诸多挑战。
通常情况下，已报道的 InGaAs SPAD 光敏面积直径范围在 10 - 25μm。较小的光敏面积虽然在一定程度上降低了噪声，但却严重限制了在实际应用中，如激光雷达的探测视场、孔径大小以及接收光学系统的效率。同时，小光敏面积使得光学对准难度加大，系统的机械稳定性也大打折扣。为了突破这些限制，采用更大光敏面积的 SPDs 成为必然趋势。但随之而来的是，降低噪声计数，如暗计数和后脉冲，变得至关重要。尽管冷却 SPAD 能够显著减少暗计数，可温度降低又会使后脉冲效应加剧。此前的研究中，基于 InGaAs SPAD 和负反馈雪崩二极管（NFADs）的探测器，难以通过改进材料质量、优化结构设计以及降低工作温度等方式，同时满足低暗计数率、短死时间和大光敏面积的要求，并且此前探测器的最低工作温度也无法突破 213K。
为了攻克这些难题，山东大学激光与红外系统教育部重点实验室等机构的研究人员开展了深入研究。他们致力于开发两种大光敏面积、高效率且低暗计数率（DCR）的近红外单光子探测器（SPDs），并取得了令人瞩目的成果。该研究成果发表在《Cell Reports Physical Science》上，为相关领域的发展带来了新的曙光。
研究人员在研究过程中，运用了多种关键技术方法。在机械设计方面，精心设计了整体尺寸为 154×148.5×139mm 的探测器，其核心真空腔尺寸为 77×56×25mm，通过合理布局内部结构，实现了对 SPAD 和真空腔的有效降温。在电子设计上，设计了低功耗、高速的有源淬灭电路（AQC），该电路分为腔内核电路和腔外辅助电路两部分，有效实现了短死时间和低 DCR。实验中，搭建了专门的测试平台，利用特定波长的半导体激光作为测试光源，结合时间相关单光子计数（TCSPC）统计功能对探测器性能进行测量。
下面来看具体的研究结果：
- 模拟结果：对探测器的散热性能进行模拟。首先模拟五阶热电制冷器（TEC）的冷却条件，结果显示在热端温度为 300K、电流为 1.5A 时，冷端温度可达 173.6K，与手册参考值相近，表明该 TEC 模型适用于后续实验。接着模拟探测器整体散热，在设定多种热源参数后，得出 SPAD 的最低冷却温度为 194.0K，且设计的散热结构能保证探测器在接近室温（293K）下持续工作。
- 实验结果与分析：在实际实验中，当整个装置处于室温 298K 时，SPAD 的最低冷却温度为 201K，通过红外测温设备测量关键表面温度，证明探测器可稳定工作。在单光子检测性能方面，对 InGaAsP SPAD（PGA - 284）进行测试，在自由运行模式下，当光子检测效率（PDE）为 10% 时，最低 DCR 仅为 18Hz；在 PDE 低于 25% 时，DCR 可保持在 142Hz 以下；在死时间为 2ms 及以上时，最大 PDE 可达 35%。对于 InGaAs SPAD（XSJ20C - 5560 - DSD），冷却至 203K 时，击穿电压约为 66.0V，随着过偏压从 3V 增加到 6V，检测效率从 8% 提升至 26%。研究还对比了不同温度下探测器的性能，发现 233K 时的 DCR 约为 203K 时的 4 倍，且在 203K 下，不同检测效率时，死时间对 DCR 和总后脉冲概率（TAP）有不同影响。在实际应用中，将 TAP 控制在 15% 以下时，不同检测效率对应的死时间不同，如 PDE 为 8% 时，死时间设为 40ns，TAP 为 11.7%，在实际激光雷达应用中可接受。与其他已报道的 InGaAs/InP SPD 原型相比，该研究中的 SPD 在大光敏面积探测器中具有最低的噪声计数率，且功耗低、成本低、设计紧凑。
研究结论和讨论部分指出，该研究成功开发出两种大光敏面积的近红外单光子探测器，通过设计专门的散热结构实现了 SPAD 的深度冷却，降低了暗计数率；采用低功耗、高速的淬灭电路有效减轻了后脉冲效应。这两种探测器在不同波长下展现出良好的性能，如 50μm InGaAs SPAD 和 80μm InGaAsP SPAD 在各自条件下的 DCR、PDE 和后脉冲概率等性能指标优异。该研究成果在激光雷达、量子信息等领域具有巨大的应用潜力，为相关领域的进一步发展提供了重要的技术支持和保障，有望推动这些领域实现新的突破和发展。
