1. 单光子探测项目导论

单光子探测（Single-Photon Detection）指的是把光信号探测灵敏度推进到“单个光子”量级的技术体系。它的核心不是“把光放大”，而是让一个光子入射后，在探测器内部触发一次可被电子学识别的宏观电脉冲。典型器件包括单光子雪崩二极管（SPAD）、硅光电倍增管（SiPM）、超导纳米线单光子探测器（SNSPD）以及光电倍增管（PMT）。理解单光子探测，关键要抓住“概率性”和“离散性”两个特征：光以光子为单位到达，探测器以一定概率响应，输出的是离散脉冲而非连续电流。

在工程上，衡量单光子探测器性能的核心指标通常包括以下几项。探测效率（PDE）指入射光子被成功探测的概率，SPAD 在可见光波段典型值约 50%～70%，近红外会明显下降。暗计数率（DCR）是在无光条件下单位时间内的虚假脉冲数，SPAD 典型值约 10～1000 cps，制冷可显著降低。时间抖动（Jitter）反映光子到达时刻与输出脉冲时刻之间的不确定度，SPAD 约 100～300 ps，SNSPD 可低至 20 ps 以下。死时间（Dead Time）是探测器响应一次后无法再次响应的时间，SPAD 被动淬灭约几十至几百纳秒，主动淬灭可缩短到几纳秒。后脉冲（Afterpulsing）是雪崩后载流子释放造成的伪计数。这些指标彼此制约：提高过偏压可提升 PDE，但会同时抬高 DCR 和后脉冲概率，因此实际项目必须在工作点选择上做权衡。

从应用反推指标，是项目实战中最有效的思路。激光雷达关注时间抖动和死时间，因为测距精度直接由光子到达时刻的测量精度决定；量子密钥分发关注暗计数率，因为暗计数会直接抬高误码率；荧光显微成像关注探测效率，因为荧光光子数极其有限，每一个光子都很宝贵；光子计数与光谱测量则同时要求低暗计数和高线性度。因此，不存在“全面最优”的探测器，只有“匹配场景”的工作点。

项目实战路线图

本课程的项目实战围绕一条完整的单光子探测链路展开，建议按以下阶段推进。第一阶段是器件与工作点认知：理解 SPAD 的击穿电压、过偏压、淬灭方式，并学会用示波器观察脉冲波形。第二阶段是前端电路搭建：包括偏置电路、被动或主动淬灭电路、比较器整形电路，目标是输出干净的 LVTTL 或 LVDS 脉冲。第三阶段是计数与时间测量：使用 FPGA 或 TDC 芯片对脉冲计数，并测量光子到达时间，形成直方图。第四阶段是系统集成与标定：把探测器、光源、光学系统、数据采集组合起来，完成暗计数标定、探测效率标定和时间抖动标定。第五阶段是应用验证：根据具体场景（如测距、成像或密钥分发）设计实验，采集数据并评估是否达到目标指标。

为了让路线图可执行，下面给出一份示例性的阶段任务与判断依据表。表中参数为教学示例，实际项目需根据所选器件手册和实验条件调整。