单光子探测器新原理、电路与应用专刊正式出版

由张蜡宝教授联合武汉大学林乾乾教授、意大利米兰理工大学Federica Villa教授共同担任客座编辑的国际光学期刊APL Photonics专刊"Single-photon detectors: New physical principles, circuits, and applications"（单光子探测器：新原理、电路与应用）正式出版。2026年7月8日，张蜡宝教授等受邀发表评论文章，链接：https://doi.org/10.1063/5.0347708。

一、专刊概况

单光子探测器作为最灵敏的光探测手段，已从基础物理研究的专用仪器发展成为支撑量子信息、先进成像、光通信、遥感、天文观测和生物医学诊断的关键使能技术。过去十年间，半导体和超导探测技术的持续进步显著提升了光子探测效率、时间分辨率、暗计数率、计数率能力和可扩展性等关键性能指标。当前，该领域正经历快速扩张，不仅得益于器件物理和材料工程的进展，更受到读出电子学、计算成像、系统集成和新兴应用创新的强力推动。

作为本专刊的客座编辑团队，张蜡宝教授与合作者共同确定了专刊的学术定位与收录范围，建立了严谨、公平、高效的同行评审流程。发表论文涵盖了单光子探测从材料、器件到电路、成像架构和实际应用的完整创新链条，确保了专刊内容的全面性和学术前沿性。

二、专刊主要内容

（一）半导体基单光子探测器

半导体单光子探测器作为应用最广泛、发展最迅速的技术分支，在本专刊中占据重要篇幅。综述论文系统讨论了低噪声红外雪崩光电二极管的发展历程及其迈向单光子灵敏度的技术路径，为领域研究者提供了宝贵的技术路线图。器件层面的创新包括：用于提升光子探测效率的背照式InGaAs/InP单光子雪崩二极管（SPAD）、面向下一代激光雷达系统优化的背照式SPAD、以及用于闪烁体生物医学成像的优化背照式SPAD。此外，专刊还报道了GHz门控硅SPAD的高速工作演示，以及通过新型全芯片后脉冲表征方法研究的大面阵Ge-on-Si SPAD阵列。

（二）超导探测技术

超导探测技术方面，专刊集中展示了超导纳米线单光子探测器（SNSPD）和边沿转变传感器（TES）的最新进展。其中，多模光纤耦合的SNSPD通过高度均匀的纳米线响应实现了GHz级探测速率，突破了SNSPD系统在探测面积和探测速率两方面的性能极限。针对扩展红外波长下SNSPD的偏振效应进行的系统研究，为设计偏振无关的单光子探测器提供了关键指导。专刊还报道了一种在较高工作温度下兼具高效率、优异能量分辨率和超低暗计数的TES探测器，显著降低了高性能TES系统的制冷要求。

（三）探测器电子学与时间架构

专刊还突出了探测器电子学和时间架构日益增长的重要性，这些技术对于充分释放单光子探测器的性能潜力至关重要。专刊报道了克服时间相关单光子计数中堆积限制的新方法，实现了高计数率下的高保真空子时间测量。用于荧光寿命传感的模拟像素内直方图技术，使得具有单光子灵敏度的紧凑型低功耗荧光成像系统成为可能。这些贡献表明，探测器性能越来越依赖于器件、电路和信号处理策略的协同设计，这也是本专刊向广大光子学界强调的重要发展趋势。

（四）光子极限成像与计算成像

光子极限成像和计算成像是本专刊的另一重要主题。相关贡献包括：浑浊水下环境中的光子级单像素波前成像、基于频率分区进化抖动的优化傅里叶单像素成像、光子匮乏条件下通过动态散射介质的高质量成像、以及由SPAD阵列实现的视频率量子鬼成像进展。这些工作展示了单光子探测器在光强极低或成像环境高度散射场景下的变革性潜力，例如水下、生物组织或大气遥感等应用场景。

（五）应用领域进展

面向应用的研究进展主要覆盖汽车激光雷达和生物医学成像两个关键领域。在激光雷达方面，研究人员演示了在雾和烟环境下的高通量成像，计数率达到传统TCSPC限制的六倍以上；同时报道了具有46ps时间抖动的背照式SPAD，为下一代固态激光雷达进行了优化。在生物医学应用方面，90nm CIS工艺SPAD实现了蓝绿灵敏度七倍增强（500nm处达到53.4%），使得基于闪烁体的高分辨率PET和X射线成像能够在降低辐射剂量的同时实现高质量成像。

三、学术意义与展望

总体而言，本专刊提供了单光子探测整个创新链条的全景视图。贯穿所有录用论文的共同主题是探测器物理学、电子学、计算方法和系统级工程的融合，这一融合正以前所未有的速度推动领域向前发展。录用论文展示了单光子探测技术从新材料、新器件架构到新颖电路设计、成像算法和实际应用的最新进展，全面呈现了当前的技术发展水平。

专刊收录的研究工作不仅推进了单光子探测技术的发展前沿，更为量子信息、成像、通信和传感领域的研究开辟了新途径，有望变革广泛的工业和科学学科。客座编辑团队希望本专刊既能作为领域内现有研究者的宝贵参考，也能成为科学家和工程师探索单光子探测所带来的快速扩展机遇的入门起点。

相关工作得到APL Photonics期刊、广大学术同行和南京大学超导单光子探测实验室的大力支持。