1. 课程导入与SPAD技术概览
在光学测量领域，我们习惯用光功率、光子通量这类统计量来描述光。但当光强衰减到每秒钟只有几个、几十个光子时，传统的光电探测器——无论是PIN光电二极管还是光电倍增管——都会遇到同一个瓶颈：探测器的内部噪声与信号幅度处于同一量级，输出端已经无法从噪声中分辨出"有没有一个光子到达"。单光子探测要解决的核心问题，就是让探测器具备对单个光子事件作出可判别响应的能力，并把"到达时刻"这一时间信息保留下来。
单光子雪崩二极管（Single-Photon Avalanche Diode，SPAD）正是为此而生的器件。它工作在盖革模式（Geiger mode）下，即反向偏置电压高于雪崩击穿电压。此时耗尽区内一旦有单个光生载流子触发碰撞电离，就会在皮秒到纳秒量级内形成自持雪崩，产生一个宏观可测的电流脉冲。这个脉冲的幅度通常在毫伏到伏特量级，远高于后级电路的噪声底，因此"一个光子"被转换成了"一个数字可判别的电脉冲"。这就是SPAD区别于线性模式探测器的根本之处：它不测量光功率的连续大小，而是对离散的光子到达事件进行计数与计时。
理解SPAD，需要同时把握它的物理机制与外围电路。物理层面，雪崩击穿电压 VBD 是核心参数，实际工作点由过偏压 VEX = VBIAS − VBD 决定。过偏压越高，触发概率（即光子探测概率 PDP）越大，但暗计数率（DCR）和后脉冲概率也随之上升，因此存在明确的折中。电路层面，SPAD必须配合淬灭电路工作：雪崩一旦建立，必须尽快把偏压拉低到击穿电压以下以终止雪崩，否则器件会因持续功耗而损坏；随后再通过复位把偏压恢复到工作点，准备接收下一个光子。被动淬灭用一个大阻值电阻即可实现，恢复时间长；主动淬灭用晶体管快速检测并拉低偏压，死时间可压缩到纳秒量级，更适合高计数率与高时间精度场景。
把SPAD放进一个完整的探测系统，信号链大致是这样的：光子入射 → SPAD雪崩 → 淬灭与复位 → 脉冲整形（比较器阈值判别）→ 时间数字转换（TDC）记录到达时刻 → 数据统计与直方图重建。其中比较器阈值决定了时间拾取点，TDC的bin宽决定了时间分辨率的量化下限，而SPAD本身的抖动（jitter）则决定了系统的物理极限。一个典型的教学示例参数可以这样设定：SPAD过偏压 3 V，PDP 在 650 nm 处约 50%，DCR 约 100 cps，死时间 50 ns，时间抖动 FWHM 约 200 ps，TDC bin 宽 50 ps。这些数值属于合理假设的示例，用于说明各参数之间的量级关系，而非实测结果。
从系统角度看，SPAD探测器的输出并不是"光强"，而是一串带有时间戳的离散事件。对这些事件做统计，就得到两个最基本的观测量：计数率（单位时间内的脉冲数，反映光强）和时间戳直方图（多次重复测量中光子到达时刻的分布，反映飞行时间或荧光寿命）。例如在激光雷达中，发射一个激光脉冲，记录回波光子的到达时间，重复数万次后直方图的峰值位置就对应目标距离；在荧光寿命成像中，直方图的衰减斜率对应荧光寿命。这两个应用共享同一套硬件信号链，区别只在于数据处理方式。
本课程的学习路径按"器件—电路—系统—应用"四层展开。第一层理解SPAD的物理机制与关键参数（PDP、DCR、jitter、死时间、后脉冲），知道每个参数由什么决定、如何测量。第二层掌握淬灭与复位电路的设计，包括被动淬灭的电阻取值、主动淬灭的晶体管选型与反馈时序，以及如何用比较器完成脉冲整形。第三层进入系统集成，涉及TDC的选型与标定、时间数字转换的bin宽与非线性、多通道SPAD阵列的串扰与符合测量。第四层落到具体应用，包括光子计数、激光测距、荧光寿命测量和量子密钥分发中的SPAD使用要点。每一层都会给出可复现的示例参数与判断依据，帮助你在自己的实验或设计中快速定位问题。
需要特别提醒的是，SPAD的"单光子"能力并不意味着它每次都能探测到光子。PDP是一个概率值，典型硅基SPAD在可见光波段的PDP在30%～70%之间，近红外波段会显著下降。因此在实际系统中，光子计数结果需要根据PDP做修正，时间相关单光子计数（TCSPC）也需要足够多的重复次数才能建立可靠的直方图。理解这一点，是后续所有系统设计与数据分析的前提。