单光子探测是指单个光子量级的光吸收，就能够引起宏观可观测电学变化，是极限灵敏程度的光子探测技术。单光子探测在量子信息处理、量子保密通信、激光雷达、宇宙学等领域具备重要意义。由于上述应用的牵引，单光子探测技术取得了令人瞩目的进步，同时大大促进了“少数光子”科学与技术的发展。
Cova在1983年首次报道了在非线性工作模式（盖革模式）下，利用Si雪崩二极管（APD）实现了单光子探测。雪崩二极管工作于盖革模式时，每对光生电子-空穴都能引发可维持的雪崩电离，形成宏观电流。引入雪崩淬灭电路后，单个光子的吸收对应一个可测量的宏观电脉冲，其增益大于106，从而实现单光子的探测。与其它单光子探测方案相比，单光子雪崩二极管探测器（SPAD）具备单光子探测效率高、功耗低、可靠性高等优点。在300-900纳米波段，Si SPAD性能优异。单光子量子探测效率最高可达70%，暗记数率小于50 Hz，后脉冲效应小，可连续计数，光子到达时间抖动半高宽在数百皮秒量级。采用合适的驱动电路，Si SPAD具有一定的光子数分辨能力。Si SPAD优异的单光子探测性能主要来源于高质量的Si材料。但是Si的禁带宽度较大，当探测波长大于1微米时，其量子效率迅速降低至1%以下，失去实际应用价值。
1.3微米和1.55微米是现在光纤通信和传感系统两个窗口区，传输色散和损耗远小于其他波长区域，工作于该波段的单光子探测器是基于现有光纤通信系统量子保密传输的关键器件。尽管1.3微米和1.55微米波长的单光子探测有一定困难，但由于其重要的应用价值，国际上投入了巨大的研究资源，取得了长足的进展。
图1. 光纤通信波段半导体上转换单光子探测器示意图。图中光纤通信波段红外探测器和0.87微米波长近红外发光二极管集成而得半导体红外单光子上转换器件，半导体红外单光子上转换器件与Si SPAD进一步光耦合集成成为半导体上转换红外单光子探测器。
本项目基于我们在半导体光电器件与物理、尤其是半导体红外上转换成像器件方面的前期工作，提出一种1.3–1.55微米光纤通信波段半导体上转换单光子探测方案。以InP或者GaAs材料为衬底，生长1.3-1.55微米光纤通信波段p-i-n近红外探测器；通过直接外延生长或晶片键合方式将近红外探测器与GaAs发光二极管集成，制备半导体红外单光子上转换器件。1.3-1.55微米波长光子被p-i-n近红外探测器吸收后，形成的电子-空穴对在外加偏压作用下迁移至GaAs 发光二极管功能层并复合发光，实现1.3-1.55微米波长光子向0.87微米波长光子的转换。随后，通过晶片键合技术或者光粘胶将半导体红外单光子上转换器件与Si SPAD粘合集成，上转换而成0.87微米波长光子耦合进入Si SPAD并为其所探测，进而实现1.3-1.55微米波长单光子的探测。所提出的半导体上转换单光子探测示意图为图1。
该方案的关键特性在于，它将不是采用InP结构实现信号的放大，而是利用成熟的SPAD器件来实现信号的放大和采集，从而规避InP结构在暗计数率和后脉冲效应方面的问题。目前，我们成功实现了等效飞瓦的1.5微米波长的输入激光的上转换探测，对应Si SPAD测得的上转换计数为1KHz以下，见图2。这个结果说明基于半导体上转换的单光子探测从理论及初步实验的结果来看完全可行。后续应该通过进一步降低PD的暗电流，及进行热电制冷条件下的器件研发获得更好单光子探测性能。
图2 不同入射光功率下的单光子计数测量
