1.2  单光子

光子是光的最小能量量子，是传递电磁相互作用的基本粒子，静止质量等于零。每一个光子的能量为hv,（h普朗克常数,v光波频率）。对于氦氖激光器发出的激光而言，激光波长为632.8nm，频率为4.74*1014 Hz，每一个光子的能量约为3.14*10-19J。由此可见,单光子检测技术是信号远小于背景噪声的检测技术,代表着辐射探测技术的最极端水准。光子是离散的粒子,单光子探测器输出的信号一般为离散的电压脉冲,每一个电压脉冲对应检测到一个入射光子。为了实际应用的方便，我们把将这个离散的电压脉冲通过电路转换为TTL或NIM信号。

量子通信的应用通常需要用的单光子，很多量子密码分发协议都要求能在信道中严格传输单光子[3][4],因为多光子不能保证通信安全。

1.3  单光子探测器

早期的探测技术是从半导体工艺开展的，像雪崩光电二极管，光电倍增管等，单光子探测器的性能主要取决于半导体的材料，不同的半导体材料，决定了性能的差异。通常情况，单光子探测器性能以暗计数、探测效率、时间抖动和探测速度四方面来衡量。

暗计数就是指除入射光子以外其他一切因素所导致的光子计数。造成暗计数的主要原因有两种:探测器本身的噪声和背景噪声对测量系统的影响。在实际实验时，我们可通过测量一段时间内,在没有光子入射时系统的电压脉冲计数除以时间,来表示暗计数,单位为cps或Hz。当然，我们希望暗计数越小越好。

探测效率是指单光子探测器检测到的入射光子的概率值。而探测效率则分为光路传输效率、光耦合效率和探测器的量子效率这三个效率。实验上可通过输入已知数量的光子除以检测到的光子数。这里做了三点假设:（1）所有的光子为单光子;（2）光子之间的时间间隔足够大,并且单光子探测器能够分辨;（3）暗计数为零。然而实际实验中，受到光子的不确定性和暗计数的影响，想要精准的测量探测效率是很难做到的。为了能获得较准确的探测效率,需要保证输入的光子在单个光子量级上，并且暗计数要远小于探测光子数。更详细的定量分析可参考文献[5]。

除了探测效率和暗计数，时间抖动和探测速度便是单光子探测器的另外两个重要参数。时间抖动用来表示单光子探测器输出信号的时间分布。通常我们用输出信号时间分布曲线的半高宽（FWHM）来表示。探测速度是探测器在单位时间内探测到光子的数量，因此取决于探测器的响应时间和恢复时间。如果时间抖动越小，时间分布范围越窄，说明探测器输出信号的时间精度越高。对应激光雷达应用，通过分析接受光子的时间来判断目标探测物的位置。时间精度越高，理论上单光子探测器探测的距离精度就越高。文献综述

1.4  纳米技术

纳米材料在单光子探测器中的使用主要集中在两个领域，其一是使用纳米超导线圈进行单光子探测器，自从G.N.Gol’tsman和O.Okunev提出了第一个基于超导线的单光子探测器以来，发展出了许多同类型的单光子探测器[6][7][8]其原理都基于窄超导纳米线对光子吸收作用。将光子转化为电压或电流信号，再通过适当的电路将信号放大最终得到探测结果。其二是使用纳米天线对单光子探测器和单光子源进行改良，金属光学天线的性质依赖于金属纳米颗粒的局部场特性和天线结构的辐射特性。实际上制作超导纳米线探测器时，用到的就是纳米条，尺寸在纳米量级。

2  半导体单光子探测器的发展历史

早期的探测技术是从半导体工艺开展的，如光电倍增管和工作在“盖革（Geriger）”模式下的雪崩光电二极管等，这两者都是基于光电效应理论，从而实现对弱光的探测。