2. 单光子探测器物理与阵列化基础
单光子探测的核心任务，是在极弱光条件下把“有没有一个光子到达”转换成可被电子学读出的电脉冲。SPAD、SiPM 与 SNSPD 分别代表了三条典型技术路线：半导体雪崩型、半导体阵列型与超导纳米线型。理解它们的物理过程、增益与噪声来源，以及阵列化后出现的串扰和像素差异，是设计多通道读出电路的前提。
SPAD：盖革模式下的雪崩倍增
SPAD（单光子雪崩二极管）工作在反向偏压高于击穿电压的盖革模式。当单个光子被吸收并产生一个电子—空穴对时，强电场使载流子发生碰撞电离，形成自持雪崩，电流在百皮秒量级内迅速上升到毫安级。这个过程的增益通常在 10⁵～10⁶，足以把单光子事件变成可被比较器识别的电压脉冲。
但自持雪崩不会自行停止，必须依靠淬灭电路把偏压拉回击穿电压以下。被动淬灭用一个较大的淬灭电阻，结构简单但恢复时间长；主动淬灭用晶体管快速检测并强制降低偏压，死时间可缩短到纳秒量级。雪崩结束后还需要一段恢复时间，让偏压重新建立到盖革模式，这段恢复时间决定了 SPAD 的最大计数率。
SPAD 的主要噪声机制包括暗计数、后脉冲和光学串扰。暗计数来自热激发或缺陷能级释放的载流子，其速率随温度和偏压升高而增加；后脉冲是雪崩过程中被陷阱俘获的载流子延迟释放，导致同一像素在短时间内产生虚假计数；光学串扰则是雪崩过程中发射的次级光子被相邻像素吸收，引发误触发。这些噪声在阵列化后会被放大，成为读出电路必须处理的问题。
SiPM：并联微像素阵列
SiPM（硅光电倍增器）把成百上千个 SPAD 微像素并联在同一硅片上，每个微像素串联一个淬灭电阻，所有微像素共享一个公共输出节点。单个微像素被触发时，输出一个固定电荷量的标准脉冲；多个微像素同时被触发时，输出脉冲幅度叠加。因此，SiPM 的输出电荷量正比于触发像素数，通过积分或峰值检测即可估计光子数。
SiPM 的增益由过压决定，典型值在 10⁵～10⁶ 之间。过压越高，增益越大，但暗计数和串扰也越严重。微像素的填充因子、淬灭电阻阻值和像素间距共同影响探测效率、恢复时间与串扰概率。由于所有微像素并联，SiPM 的输出电容较大，脉冲上升沿通常在纳秒量级，对读出电路的带宽和输入阻抗提出了要求。
SNSPD：超导纳米线中的热点与涡旋
SNSPD（超导纳米线单光子探测器）工作在远低于超导临界温度的环境中，纳米线被偏置在略低于临界电流的状态。当一个光子被纳米线吸收时，局部超导态被破坏，形成一个热点。热点两侧的电流被挤压到更窄的通道中，电流密度超过临界值，形成电阻势垒。电阻的出现使纳米线两端产生电压脉冲，随后电流下降、热点冷却、超导态恢复。
SNSPD 的增益机制与 SPAD 完全不同：它不依赖载流子倍增，而是依赖超导态到电阻态的转变。因此，SNSPD 的暗计数极低，时间抖动可低至几十皮秒，探测效率在特定波长下可超过 90%。但 SNSPD 需要低温环境，纳米线的制造一致性要求高，阵列化时每个像素都需要独立的偏置和读出通道。
阵列化带来的串扰与像素间差异
把单个探测器扩展成阵列，最直接的好处是提高探测面积和空间分辨率，但也会引入新的非理想效应。串扰是其中最关键的问题之一。在 SiPM 中，串扰表现为一个像素雪崩时发射的光子被相邻像素吸收，导致相邻像素误触发。串扰概率通常用百分比表示，典型值在 1%～20% 之间，随过压升高而增大。串扰会直接抬高暗计数率，并破坏光子数分辨的准确性。
像素间差异是另一个必须面对的问题。由于制造工艺的波动，每个 SPAD 的击穿电压、淬灭电阻、暗计数率和探测效率都不完全相同。在 SiPM 中，这意味着不同微像素在同一过压下的增益存在差异，输出脉冲幅度不再严格相等。对于需要光子数分辨的应用，这种差异会表现为能谱峰的展宽。在 SNSPD 阵列中，像素间差异则表现为临界电流和探测效率的不一致，需要逐像素标定。
此外，阵列化还会带来死区与恢复时间的不均匀。当一个像素被触发后，它在一段时间内无法响应下一个光子；如果多个像素同时被触发，公共输出节点的电压恢复过程会受到影响。对于高计数率应用，这种非均匀恢复会导致计数非线性。
对读出电路的基本要求
探测器阵列的输出信号通常很弱、很快，且通道数多，因此读出电路需要在灵敏度、带宽、噪声和功耗之间取得平衡。对于 SPAD 阵列，每个像素需要独立的淬灭与恢复电路，读出电路要能识别纳秒级脉冲并记录到达时间；对于 SiPM，读出电路需要处理多像素叠加的电荷量，通常采用电荷灵敏放大器或跨阻放大器，并配合峰值保持与模数转换；对于 SNSPD 阵列，每个像素需要低噪声偏置和宽带放大，同时要抑制低温环境下的热噪声。
多通道读出的另一个关键问题是通道间一致性。如果各通道的增益、阈值或延迟不一致，就会在时间测量或光子数分辨中引入系统误差。因此，读出电路通常需要逐通道的增益校准和阈值调节，并在阵列层面进行时间对齐。对于高计数率应用，还需要考虑通道间的串扰抑制和死时间管理，避免一个通道的雪崩事件通过电源或衬底耦合到相邻通道。
总结来看，SPAD、SiPM 和 SNSPD 的物理机制不同，但阵列化后都面临串扰、像素差异和恢复不均匀的问题。读出电路的设计必须从这些非理想效应出发，在通道密度、噪声、带宽和校准能力之间做出取舍。理解这些基础，才能进一步讨论多通道读出的架构与实现。