2. 单光子探测器家族与选型边界
单光子探测器并不是一种器件，而是一类能把“接收到一个光子”转换为可测电信号的器件家族。它们的共同目标是在极弱光条件下获得可分辨的计数或波形，但实现机理差异极大，直接决定了增益、时间抖动、暗计数、探测效率、工作温度、阵列规模和成本边界。选型的第一步不是比较参数表，而是先判断应用属于哪一类需求：是追求皮秒级时间分辨，还是追求高探测效率；是单点计数，还是需要成像阵列；是常温便携，还是可以接受低温制冷。
六类主流探测器的工作机理
PMT（光电倍增管）利用光电效应把光子打到光阴极产生光电子，再经打拿极链倍增。它的增益可达 10⁵～10⁷，时间抖动约几百皮秒，暗计数低，但量子效率在可见光波段通常只有 20%～30%，且对磁场敏感、体积大、需要高压供电。
SPAD（单光子雪崩二极管）工作在盖革模式，PN 结偏置高于击穿电压，单个载流子即可触发自持雪崩，输出宏观电流脉冲。它需要淬灭电路恢复，死时间约 10～100 ns，时间抖动可低至几十皮秒，适合时间相关单光子计数（TCSPC）。
SiPM（硅光电倍增器）由大量 SPAD 微单元并联组成，每个微单元串联淬灭电阻。输出脉冲幅度正比于触发单元数，因此具备光子数分辨能力。增益约 10⁵～10⁶，工作电压约 30 V，对磁场不敏感，适合阵列化和便携设备，但暗计数率较高，存在串扰和余脉冲。
SNSPD（超导纳米线单光子探测器）利用超导纳米线吸收光子后局部破坏超导态，形成电阻热点并产生电压脉冲。探测效率可超过 90%，暗计数极低，时间抖动可小于 20 ps，但需要 1～4 K 低温制冷，系统复杂、成本高。
TES（超导转变边沿传感器）工作在超导转变边沿，光子吸收引起的温升改变电阻，通过 SQUID 读出。它能实现光子数分辨和极高能量分辨，但响应速度较慢，同样需要极低温环境。
MCP（微通道板）利用微通道内的二次电子倍增，具备皮秒级时间分辨和二维成像能力，常用于高速摄影和粒子探测，但量子效率有限，且需要高真空工作环境。
按应用场景快速缩小范围
如果应用是激光雷达或远距离测距，核心矛盾是时间抖动和探测效率。此时优先考虑 SNSPD（若预算和低温条件允许）或 SPAD/SiPM。SPAD 的时间抖动可做到 20～50 ps，配合 TCSPC 可实现厘米级测距精度；SiPM 虽然时间抖动略大，但阵列化后能实现大视场接收。
如果应用是荧光寿命成像或量子光学符合测量，需要同时关注时间抖动、暗计数和光子数分辨。SNSPD 和 TES 是首选，前者时间抖动极低，后者能量分辨极佳。若预算有限，SPAD 配合时间数字转换器（TDC）也能完成基础 TCSPC 测量。
如果应用是PET 医学成像或高能物理量能器，需要大面积阵列、高探测效率和较快响应。SiPM 几乎是当前最优解：工作电压低、对磁场不敏感、可与闪烁体直接耦合，且成本随阵列规模增长可控。PMT 仍在部分大体积探测器中保留，但正逐步被 SiPM 替代。
如果应用是便携式辐射探测或现场检测，低温制冷和高压供电都是负担。此时 SiPM 和 SPAD 是合理起点，PMT 仅在需要极低暗计数且体积不受限时考虑。MCP 则更多用于科研级高速成像和粒子追踪，不适合常规便携场景。
选型时必须核对的五个边界参数
第一是探测效率与波长匹配。硅基器件在 400～900 nm 效率较高，但到 1550 nm 通信波段，SiPM 和 SPAD 效率骤降，必须转向 InGaAs SPAD 或 SNSPD。第二是暗计数率，它直接决定最低可探测光功率和信噪比，SiPM 的暗计数通常比 SPAD 高两到三个数量级。第三是死时间与最大计数率，SPAD 死时间约 10～100 ns，对应最大计数率 10～100 Mcps，SiPM 因单元并联可更高，但需注意恢复时间。第四是后脉冲与串扰，SiPM 的串扰概率典型为 5%～20%，会抬高本底。第五是工作环境，包括温度稳定性、磁场、真空和供电条件。
一个选型示例
假设任务是为 1550 nm 量子密钥分发系统选择单光子探测器。首先，波长 1550 nm 排除了标准硅基 SPAD 和 SiPM，因为硅在 1550 nm 几乎不吸收。其次，QKD 要求暗计数极低（<100 cps）和时间抖动小（<100 ps），且系统通常有制冷条件。此时候选范围缩小到 InGaAs SPAD 和 SNSPD。若预算允许且需要最高成码率，选 SNSPD；若需要常温或近常温运行且成本敏感，选带热电制冷的 InGaAs SPAD。最后核对死时间和后脉冲：InGaAs SPAD 后脉冲概率较高，需通过门控或正弦门控抑制；SNSPD 则几乎无后脉冲问题。
选型不是找“最好”的探测器，而是找“边界条件匹配”的探测器。先锁定波长、时间分辨、光子数分辨和低温容忍度这四个硬约束，再在剩余候选里比较暗计数、效率和成本，就能在几分钟内把范围从六类缩小到一到两类。