Однофотонные детекторы (ОД) представляют собой устройства, способные регистрировать отдельные квантовые события — поглощение одного фотона. Их ключевое отличие от обычных фотодетекторов заключается в чрезвычайно высокой чувствительности и способности работать на уровне квантовой эффективности, близкой к 100 %.
Принцип работы ОД основан на преобразовании энергии фотона в электрический сигнал через несколько возможных физических механизмов:
Фотонно-электронный эффект в полупроводниках. При поглощении фотона в полупроводниковом кристалле образуется электронно-дырочная пара, что вызывает изменение тока или напряжения на детекторе.
Сверхпроводящие переходы. Фотон, поглощаясь сверхпроводящим элементом, вызывает локальное разрушение сверхпроводимости (горячая точка), что приводит к измеримому изменению сопротивления или индуктивности.
Флуоресцентные или лавинные процессы. В некоторых детекторах используются лавинные умножения носителей заряда, что позволяет усилить сигнал до регистрируемого уровня.
Ключевой задачей при проектировании ОД является минимизация фонового шума и обеспечение быстрого восстановления после каждого события.
1. Полупроводниковые лавинные фотодиоды (SPAD)
2. Сверхпроводящие нанопроводниковые детекторы (SNSPD)
3. Туннельные детекторы на основе Джозефсоновских переходов
Локальное разрушение сверхпроводимости Сверхпроводящий элемент детектора находится в метастабильном состоянии. Поглощение фотона вызывает образование «горячей зоны», где локальная температура превышает критическую, что приводит к временной нормализации проводимости. Электронный сигнал фиксируется внешней схемой считывания.
Лавинное умножение носителей в полупроводниках При приложенном обратном напряжении близком к пробою фотон создаёт первичную электронно-дырочную пару. Внутри детектора происходит лавинное умножение носителей, что приводит к усилению сигнала. Важной характеристикой является коэффициент детектирования фотона и уровень темновых срабатываний.
Туннельные процессы в сверхпроводниках Энергия поглощённого фотона вызывает переход электронов через потенциальный барьер Джозефсоновского перехода. Измерение туннельного тока позволяет определить факт поглощения фотона. Этот метод особенно эффективен при регистрации фотонов в ИК-диапазоне и на уровне отдельных микрофотонов.
Современные сверхпроводящие детекторы демонстрируют рекордные показатели по всем этим параметрам, что делает их ключевыми элементами квантовых технологий и телекоммуникаций.