2. 单光子探测物理机制回顾

在讨论背景噪声预算之前，必须先回到探测器本身：噪声不是凭空出现的，它来自器件内部的物理过程。单光子探测领域目前最常用的两类器件是工作在盖革模式下的雪崩光电二极管（SPAD）和超导纳米线单光子探测器（SNSPD）。两者都能把单个光子转换成可测的电脉冲，但增益机制、工作条件和噪声来源截然不同，理解这些差异是后续做噪声预算的前提。

雪崩光电二极管：碰撞电离带来的高增益

SPAD 本质上是一个反向偏置的 PN 结。当反向偏压高于击穿电压（典型 InGaAs 器件在 1550 nm 波段击穿电压约 40～60 V，硅器件在可见光波段约 20～30 V）时，耗尽区形成极强的电场。一个被吸收的光子产生电子-空穴对，载流子在强场中加速获得足够动能，通过碰撞电离激发出新的电子-空穴对，新载流子再被加速、再电离，形成雪崩倍增。增益可达 10⁵～10⁶，足以把单光子信号放大到后续电路可识别的毫伏至百毫伏量级。

由于雪崩一旦触发就具有自持性，SPAD 必须配合淬灭电路工作。被动淬灭用一个串联大电阻（典型 100 kΩ 量级）限制雪崩电流，使偏压降到击穿电压以下从而终止雪崩；主动淬灭则用反馈电路快速检测并拉低偏压，再经死时间后复位。这个“触发—淬灭—复位”的循环决定了器件的死时间（典型几十纳秒到微秒量级），也直接影响了后脉冲等噪声特性。

超导纳米线探测器：热点与相位滑移

SNSPD 的工作温度通常在 2～4 K，纳米线（宽度约 50～100 nm，厚度几纳米）被偏置在略低于临界电流 I_c 的位置。光子被吸收后，局部破坏超导态形成热点，热点两侧的电流密度超过临界值，产生相位滑移中心并形成电阻势垒，从而在负载上输出一个电压脉冲。随后电流下降、热点冷却，器件在纳秒到几十纳秒内恢复。SNSPD 的增益机制不是载流子倍增，而是超导态到电阻态的转变，因此其暗计数率极低（典型 <100 counts/s），时间抖动可优于 50 ps，且没有传统意义上的后脉冲。

暗计数与后脉冲的物理起源

SPAD 的暗计数主要来自三类机制：一是热激发载流子，在耗尽区或边界处被电场加速触发雪崩，速率随温度升高呈指数增长；二是隧穿效应，强电场下电子直接从价带隧穿到导带，在偏压接近或超过击穿电压时尤为显著；三是陷阱辅助的场致发射。此外，InGaAs 器件中还存在“迟滞”现象：载流子被陷阱俘获后在后续门控周期释放，造成虚假计数。

后脉冲则是 SPAD 特有的噪声：雪崩过程中大量载流子被半导体中的缺陷陷阱俘获，雪崩结束后这些载流子被热释放，若此时器件已复位并重新偏置到盖革模式，释放的载流子会再次触发雪崩，形成一次与真实光子无关的计数。后脉冲概率随死时间缩短而升高，因为陷阱释放的载流子更容易落在下一次门控窗口内。工程上常通过延长死时间、降低工作温度或采用门控模式来抑制后脉冲。