基于InGaAs/InP APD的单光子探测器设计与实现

针对现有单光子探测器模块价格昂贵和电路复杂的不足,设计了基于InGaAs/InP雪崩光电二极管(APD)的便携式单光子探测器,给出了APD门控驱动信号和雪崩信号鉴别电路的设计方案,门控信号的产生和雪崩信号的提取由FPGA完成。实验结果表明:在200 MHz门控条件且制冷温度为-55℃时,探测器的最大光子探测效率(PDE)约为20%,当探测效率为16%时,暗计数率(DCR)约为7.2×10-6/ns。     

高速近红外InGaAs/InP单光子探测器设计

量子信息技术的研究中大量采用单光子作为量子 信息的载体,因此单光子探测技术成为近来研究的 热点。目前基于InGaAs/InP雪崩光电二极管(APD)的单光子探测器(SPD)工作频率较低 且无法连续可 调。高速门控模式下,APD的容性效应会带来较强的尖峰噪声将光生雪崩信号湮没,导致探 测器的探测效 率也相对较低。为了提高单光子探测器的工作频率,降低后脉冲概率,设计了基于高速正弦 门控技术的 InGaAs/InP雪崩光电二极管淬灭-重置电路。为了抑制强大的背景噪声提高探测效率,设 计了双APD平衡 方案来提取有效雪崩信号。实验结果表明:设计的探测器工作频率连续可调;在－ 50℃、1～1.3GHz门控频率 条件下,最光子大探测效率为35%,暗计数率为4.2×10 －5/gate。探测效率为18%时 ,暗计数率仅为5.6×10－6/gate,后脉冲概率均低于5×10－6/ns。     

用于高速量子密码系统的1.25 GHz InGaAs/InP单光子探测器的研制

随着量子密码领域的快速发展,近红外单光子探测器的研究已经成为该领域的研究重点和技术制高点。报道了一种基于正弦门控与滤波技术的InGaAs/InP雪崩光电二极管(APD)高速单光子探测器,门控频率达到1.25GHz。在探测效率为10.3%时,暗计数概率为1.3×10-6/gate,后脉冲概率为5.6×10-5/ns。这种高速单光子探测器将大幅度提升量子密码系统的两个关键指标——密钥率和传输距离,为下一代高速量子密码系统的实用化应用奠定了基础。     

InGaAs/InP单光子探测器的研制

InGaAs/InP单光子探测器是量子密钥分配系统中的重要器件,为了实现InGaAs/InP单光子探测器的国产化,本文采用国产元器件研制了一种InGaAs/InP单光子探测器,包括雪崩二极管、单片机模块、温控模块、偏置电压模块、门控信号模块和小信号处理模块,编写了程序。实验表明,在100 MHz门控条件下且制冷温度为-45 ℃时,探测器的最大探测效率约为25 %,当探测效率为10 %时,暗计数率约为5.8×10-6/ns,后脉冲率仅为1 %。本文研制的单光子探测器能够满足国产仪器设备的要求,对保障我国重点领域信息数据的安全具有显著的价值。     

室温下高探测效率InGaAsP/InP单光子雪崩二极管

我们描述了一种高性能平面InGaAsP/InP单光子雪崩二极管（SPAD）,该二极管具有单独的吸收、分级、电荷和倍增（SAGCM）异质结构。通过电场调节和缺陷控制,SPAD在293 K的门控模式下工作,光子探测效率（PDE）为70%,暗计数率（DCR）为14.93 kHz,后脉冲概率（APP）为0.89%。此外,在死区时间为200 ns的主动淬灭模式下工作时,室温下实现了12.49%的PDE和72.29 kHz的DCR。     

近红外1550 nm单光子探测器硬件电路设计

针对现有单光子探测器模块价格昂贵和体积大的不足,设计了基于 InGaAs／InP 雪崩光电二极管（APD）的便携式单光子探测器,给出了探测器温控模块和偏置电压源的设计电路,门控信号的产生和雪崩信号的提取由 FPGA 完成。实验结果表明：在200 MHz 门控条件且制冷温度为－55℃时,探测器的最大光子探测效率（PDE）约为16％,当探测效率为12％时,暗计数率（DCR）约为8．2×10－6／ns。     

基于APD-PIN结电容平衡电路的门控单光子探测器

以APD-PIN结电容平衡门控猝灭电路(GPQC)和InGaAs/InP雪崩光电二极管(APD)为核心研制了可工作在宽门控频率范围下的近红外单光子探测器。门控信号为200 MHz以下任意重复频率的尖脉冲,门宽约1 ns,脉冲幅度约10 Vpp。采用与APD结电容特性相近的PIN高频二极管研发了APD-PIN结电容平衡门控猝灭电路,可有效地抑制门控微分噪声中的低频分量,抑制比大于40 dB。采用一组简单的9阶贝塞尔型电感-电容(LC)低通滤波电路滤除残余的高频噪声分量,并使用通用的宽带射频放大器对雪崩信号进行放大。在-52 ℃,0.1~200 MHz门控频率条件下,10%探测效率时暗计数率、后脉冲概率分别小于610-6/gate、1.9%,最高探测效率可达26.4%。     

基于InGaAs/InP探测器的单光子探测电路研究

单光子探测技术利用单个光子作为信息载体,可以突破现有激光探测极限,是目前国内外应用基础研究的热点。采用InGaAs/InP APD(Avalanche Photodiode)探测1064 nm激光时,存在较大的暗计数和后脉冲概率,影响探测的准确率。对比分析了3种淬灭方式对单光子探测电路性能的影响,门控淬灭相比被动淬灭和主动淬灭有更小的死时间,对暗计数和后脉冲概率有更好的抑制作用。针对门控淬灭方式对比研究了正弦门控滤波法、自差分法、双APD平衡法和电容平衡法4种方案,以有效降低门控信号产生的尖峰噪声。通过对正弦门控滤波法探测电路的优化设计与调试,探测电路的死时间为9.3 ns,在9%的探测效率下暗计数率为1.64×10~(-6)/ns,后脉冲概率为3%。     

利用单光子探测器测量多光子响应时间

通过研究单光子探测器对微弱激光脉冲的暂态响 应特性,利用不同光子数的响应时间实现光 子数的分辨测量。理论上分析了光子数响应时间与微弱光脉冲探测时间的对应关系。实验上 通过测量不同光强下单光子探测器的暂态响应,测量到1550nm波段单光子、 双光子和三光子的响应时间分别为10.73±0.17、8.75±0.32和5.98±0.77ns。实现精确区分微弱光场中的光子数。分析了单光子探测器光子数统计涨落引起的 微弱激光脉冲的探测时间变化对光子数响应时间测量的影响。     

155μm InGaAs APD单光子探测中的小脉冲现象

对InGaAs/InP雪崩光电二极管(APD)在探测单光子过程中出现的小脉冲现象进行了研究,分析了小脉冲的产生原因,并讨论了其对光子计数及时间精度的影响。同时在准单光子条件下进行了试验,并在此基础上提出了改进方案。APD最大输出脉冲峰值约200mV,最大脉宽为30～40ns时,鉴幅电平取其峰值的1/e,同步符合门宽取最大脉宽的2/e,将获得较好的结果。     

光子扫描隧道显微镜光子隧穿可视化数值模拟

提出了一种新的入射波设置“三波法”,即将光子扫描隧道显微镜(PSTM)系统中的入射波、全内反射波和透射的隐失波同时设置为时域有限差分(FDTD)计算区域的入射源,克服了PSTM中应用FDTD所遇到的存在样品台(分层界面)和全内反射等困难。给出了PSTM中探针针尖与样品相互作用和光子隧穿的物理图像。模拟了PSTM探针等高扫描过程。给出了PSTM图像,比较了单光束照射与π对称照射等高度扫描曲线的不同,前者有一定的偏移,后者可纠正偏移。     

多像素光子计数器的光子数分辨模型与实验验证

以多像素光子计数器(MPPC)的光电特性与工作原理 为基础,提出了MPPC的短脉冲光子数分辨模型,并分别在忽略与考虑光学串话(OC,optical crosstalk)效应时导出MPPC的短脉冲光响应模型。实验表明,理论模型与实验结果吻合, 且实际的光子数分辨谱对理想 分布的偏离主要是由于OC效应引起的。利用本文模型可以方便而准确地反 演出入射光脉冲的平均光子数信息,快速地判断入射光子数分布是否是预期的统 计分布,并可以推广到具有其他脉冲光子数统计分布的情况,具有一定的普适性。 本文理论模型不仅可用于指导MPPC的设计与优化,而且对MPPC在光 子统计分布的测量、单光子源的表征等弱光探测领域的应用具有较重要的意义。     

光子扩散理论及其在生物医学炽的应用

本文介绍了目前生物医学光子学领域内引人注目的新技术－扩散光子密度波技术的理论基础,系统及国内外的最新进展,首先,概述了描述光子在混浊介质中传输的各种理论,不同理论间的相互关系及适用范围,随后,介绍了适用于大组织的扩散理论及其于扩散理论的时域和频域技术,重点介绍频域技术及相关的应用和系统,并进行了比较,总结了国内外在这一技术上取得的进展及其可能的应用前景。     

p-well/DNW单光子雪崩二极管保护环的最小化设计

随着CMOS工艺特征尺寸的不断减小,探测器本身的大小成为进一步缩小CMOS单光子雪崩二极管(SPAD)阵列的障碍。为了进一步缩小SPAD探测器的尺寸,基于0.18 μm CMOS 图像传感器(CIS)工艺对p-well/DNW(deep n-well)SPAD的保护环尺寸进行设计,并制造了不同保护环尺寸的SPAD器件。测试结果表明,保护环尺寸减小到0.4 μm仍然能有效防止器件发生过早边缘击穿(PEB),且保护环尺寸大于0.4 μm的SPAD器件雪崩击穿电压为16 V,并表现出良好的雪崩击穿特性。此外,保护环尺寸对p-well/DNW SPAD器件的暗计数(DCR)和光子探测概率(PDP)影响较小,直径为20 μm的SPAD器件,温度为25 ℃时暗计数率为638 Hz,且波长为530 nm时峰值光子探测概率为16%,具有低的暗计数率特性和宽的光谱响应特性。     

用于超快光计时的时间数字转换器

设计了一款基于延迟锁定环(DLL)和同步计数器结构的10位片上时间数字转换电路(TDC).采用两步层级设计方法,利用同步计数器进行粗量化输出6位二进制码,量化时钟周期的整数倍,再利用高性能差分DLL输出16路固定相移的时钟信号采样,精量化不足一个时钟周期的部分,输出4位温度计码.该结构可以提供较好的精度、动态范围以及转换速度,与传统的子门延时TDC相比,该结构TDC占用的芯片面积更少,转换速度更高,受工艺、电压及温度影响更少.仿真结果表明:该TDC具有LSB 62.5 ps和MSB 64 ns的动态范围,满足一般与时间相关的单光子计数需要.     

一种单光子探测器前置超宽带低噪声放大器的设计

为了进一步提高单光子探测器的性能,设计并研制了利用高电子迁移率晶体管基于混合集成负反馈结构的低成本、超宽带、低噪声前置放大器,并利用ADS软件对该放大器进行了优化和仿真。该放大器工作频段5MHz～6GHz,功率增益19.5±0.61dB,噪声系数小于2.6dB,输入电压驻波比和输出电压驻波比均小于1.8,仿真和实验结果表明该放大器可以将雪崩光电二极管上产生的亚纳秒级雪崩信号幅度放大10倍,满足单光子探测器日益提高的探测频率需求。     

应用PCS和AFM研究单价阳离子和通道功能状态对兔骨骼肌ryanodine受体(钙释放通道)相互作用的影响

Ryanodine受体(RyR)是位于细胞内钙库膜上的一种钙释放通道。对骨骼肌和心肌的肌浆网的电镜研究表明RyR在膜上相互连接在一起，形成大片规则的二维晶格排列。近年来理论模型和试验证据表明，排列在一起的RyR在通道打开和关闭时存在协同效应，即具有“门控偶联”的调控机制。研究RyR之间相互作用的基本规律及其调控因素对于深入了解这种机制具有重要意义。在我们的工作中，主要采用两种互补的手段：光子相关光谱法(PCS)和原子力显微镜(AFM)来研究溶液中RyR的相互作用。初步的研究主要集中在细胞内两种主要的单价阳离子Na’和K’，以及RyR的功能状态对该通道相互作用的影响。     

光子相关光谱法测量不同浓度金颗粒粒径的测量时间分析

研究不同浓度下金颗粒粒径的测量时间。介绍了PCCS法（光子交叉相关光谱法）测量纳米颗粒粒径的基本原理。运用PCCS法测量了不同时间不同浓度下平均粒径为24.5 nm的金颗粒粒径。测量结果表明,相同的测量时间,悬浮液浓度越高,多次测量标准差越小;相同的悬浮液浓度下,测量时间越长,多次测量结果标准差越小。拟合了各个浓度下测量结果标准差与测量时间之间的曲线,利用拟合曲线,可根据需要的测量精度,选择在该浓度下的测量时间。     

3-羟基黄酮的双光子吸收特性研究

3-羟基黄酮（3-HF）是一类具有激发态质子转移（ESPT）效应的有机分子，通过双光子诱导荧光研究了3-HF的ESPT的过程，并利用开孔Z-扫描的方法，在波长为532nm的皮秒脉冲激光激发下测量3-HF在环己烷溶液中的ESPT的双光子吸收系数。实验测得了在不同光强条件下的双光子吸收系数，结果表明，3-HF的双光子吸收系数随入射光强的增加而减小。这是由于在皮秒脉冲光的作用下，大量的3-HF分子被激发到激发态，而不能迅速返回，造成基态的粒子数不断减小，因此当光强增强时，双光子吸收系数减小。     

多功能光子治疗仪光子脱毛106例临床观察

目的：观察应用多功能光子治疗仪行光子脱毛106例的疗效。方法：应用中科院长春光机所生产的多功能光子治疗仪进行光子脱毛，采用波长610—1200nm，每3W治疗1次，平均4—6次，观察记录治疗反应及治疗参数，摄术前术后照片存档，进行临床评估。结果：106例患者总有效率80％以上，治疗期间未发生紫癜、癜痕等并发症。结论：多功能光子治疗仪属柔和光子技术（LHE），对毛发的治疗是非侵入性的，具有操作简单、安全、有效、快捷、微创等优点，其波长、能量、脉宽与治疗结果有关。