BCD工艺下光电集成的单光子雪崩光电二极管及前端电路的研制

提出一种基于BCD工艺用于检测微弱光信号的单光子雪崩光电二极管(SPAD)及前端淬灭-复位电路(QRC).为减小边缘击穿的风险,提高响应度,设计了一种圆形P+/Nwell/Deep Nwell结构SPAD,Deep Nwell和衬底之间形成的pn结,能够有效减少p衬底流向雪崩区的暗电流,降低暗计数率,也保证了较小的纵向...     

一种纳米粒子大尺寸聚集体FDTD模拟和评价方法

为了计算纳米粒子大尺寸聚集体的表面局域电磁场分布并快速对其增强效果进行评价,利用软件中脚本语言编写局部亚网格程序来实现对纳米粒子大尺寸聚集体模型的非均匀网格离散,并结合时域有限差分(FDTD)方法实现三种尺寸聚集体模型的电磁场仿真;使用K均值聚类算法对计算出的电场数据进行聚类分析,最终得到能够反映金纳米粒子大尺寸聚集体所有"热点"位置处电磁增强效果的平均增强因子.结果 表明,使用亚网格离散的金纳米球二聚体仿真模型后的内存占用减少了81％且仿真速度提高1倍,有效提升FDTD的仿真效率;另外,通过K均值聚类算法并根据三种尺寸的金纳米粒子聚集体电磁数据,可以得到与传统积分法计算的平均增强因子(AEF 1)增减规律相同的增强因子AEF 2.     

基于支持向量机算法的多环芳烃表面增强拉曼光谱的定量分析

以硫氰化钾(KSCN)为内标物,利用主成分分析(PCA)降维,利用支持向量机(SVM)算法建立定量分析模型——支持向量回归(SVR),并结合网格搜索(GS)、遗传算法(GA)和粒子群优化算法(PSO)三种参数优化方法,实现了芘、菲单一溶液和混合溶液的定量分析。研究结果表明:以KSCN为内标物,提高了定量分析结果的准确性;利用PCA降维提高了建模速度;三种优化模型对芘预测的平均相对误差(ARE)在7.6%以内,对菲预测的ARE在11.3%以内;三种参数优化方法对同一物质的预测结果相近,但GS的运算速度最快;综合考虑误差和分析速度后,采用GS-SVR模型获得了菲、芘混合溶液的最佳结果。表面增强拉曼光谱(SERS)技术结合SVM算法有望实现多环芳烃的定量分析。     

便携式SERS传感器的近岸海水中PAHs检测

为实现海水中痕量多环芳烃（Polycyclic Aromatic Hydrocarbons,PAHs）的现场快速、高灵敏度检测,研制了便携式高灵敏度表面增强拉曼散射（Surface-enhanced Raman Scattering,SERS）传感器,将倒置的望远镜结构应用于外置光路模块,使光路的效率提高到商业化光纤拉曼探头的3.7倍,光路全长约120 mm,系统尺寸为350 mm300 mm180 mm,质量约15 kg,功耗约30 W,满足现场探测便携式的要求。利用该传感器对青岛岸边海水中PAHs进行现场检测,发现了萘、菲、?、苯并（k）荧蒽、苯并（b）荧蒽、苯并（a）芘等的信号,检测结果得到气相色谱（Gas Chromatography,GC）的证实,且检测到GC法难以检测到的易挥发性物质萘。对青岛近海石老人海域和麦岛海域的现场船载检测发现:石老人海域随离岸距离的增加,PAHs种类和含量分布稳定;麦岛海域PAHs随离岸距离的增加,种类和含量均明显减少。结果表明,自主研发的SERS传感器具有便携、快速、高灵敏度的特点,可为近岸海域有机污染物PAHs的监测提供依据。     

标准CMOS工艺下高速集成大光敏面光电探测器芯片的研制

为提高大纤芯(1mm)塑料(POF)光纤通信用的 单片集成光接收机(OEIC)的速率并降低成 本,对Si基大光敏面光电探测器(PD)的结构、性能以及后续放大电路进行了研究。首先 ,基于标准CMOS 工艺流程对N⁺/N-well/ p-sub PD结构进行建模和优化设计,对其光谱响应曲线和频率 特性曲线进行了仿真; 其次,建立PD等效电路模型,结合设计的后续放大电路进行协同设计与仿真;最后,采用0.5μm CMOS工 艺对单个面积为200μm×200μm的PD以及后续放大电路单片集成电路进行了流片、 封装和测试。实验结 果表明,在－2.5V偏压下和650nm波长入射 光,N⁺/N-well/p-sub PD的响应度约有0.12A/W,暗电流约为－9pA;单 片光接收机在小于10－9的误码率BER条件下,灵敏度为－23dBm,并得到250Mbit/s速率的清晰眼图。     

基于BCD工艺的塑料光纤通信光接收机

研究了光电探测器(PD)的结构、性能以及后续放大电路,实现了塑料光纤通信的高速单片集成光接收芯片。首先,根据工艺流程和参数,采用器件模拟软件对PD结构进行了建模,并对其光谱响应度和结电容进行了理论推导及仿真。基于Cadence/spectre软件和仿真得到的PD参数对由跨阻放大器、限幅放大器和输出缓冲电路组成的后续放大电路进行了协同设计。采用0.5μm BCD(Bipolar,CMOS and DMOS)工艺对单个PD以及PD和后续放大电路单片集成电路进行了流片、封装和测试。结果表明:PD的光谱响应曲线的峰值波长和仿真结果较一致,约为700nm,PD结构更适合短波长探测;PD的结电容随着反向电压的增大而减小,结电容越大,光接收芯片的带宽越小;对于650nm的入射光,在小于10-9的误码率条件下,光接收机的灵敏度为-14dBm;最后得到了150Mb/s速率的清晰眼图。实验结果显示,设计的高速单片集成光接收机可以应用于百兆速率光纤入户通信系统。     

基于静电富集-表面增强拉曼光谱联用技术的抗生素检测

利用表面增强拉曼光谱(SERS)和静电富集(EP)相结合的技术,实现了水环境中磺胺甲基嘧啶、丁胺卡那霉素、恩诺沙星和环丙沙星的有效富集和快速痕量探测。实验结果表明,与非静电富集SERS探测相比较,磺胺甲基嘧啶和丁胺卡那霉素的特征峰强度提高了大约10倍,恩诺沙星和环丙沙星的特征峰强度提高了2~3倍;4种抗生素的最低检测浓度分别为1.9×10~(-8),1.7×10~(-8),5.5×10~(-8),6.0×10~(-8) mol·L~(-1);当被检测目标的浓度较低时,特征峰强度与探测浓度具有良好的线性关系。EP-SERS技术可有效提高水环境中抗生素的检测灵敏度。     

用于塑料光纤通信的Si基单片集成光接收芯片的研制

设计并用低成本的0.5μm BCD(biplor,CMOS and DMOS)工艺实现了用于650nm塑料光纤(POF)通 信 的Si基单片集成光接收芯片,其中包含了与标准工艺兼容的大面积的叉指状的PIN结构的光 电探测器(PD)、跨阻放大器(TIA)以及后端放大器(PA)。采用NI公司的图形化编程软件LabVIEW和硬 件PXI并结合光 学调整平台的测试方案对流片后的光接收芯片进行测试,结果表明,PD的暗电流为pA量级, 响应度为0.25A/W,电容为4.4pF;对650nm的入射光,在180Mbit/s速率的伪随机二进制 序列(PRBS)以 及小于10－9的误码率(BER)条件下,测得光接收芯 片的灵敏度为－14.6dBm,并能得到清晰的 眼图,包括200μm×200μm的PD在内总的芯 片面积0.9mm²,5V的电源下功耗为60mW 。     

与标准Si工艺兼容的光电探测器的研制

提出采用Si基标准工艺进行研制与标准工艺兼容的光敏三极管,重点解决光敏三极管结 构与标准工艺兼容性问题,并实现对其结构、性能的优化设计。通过CADENCE软件,画出不 同光敏三极管的版图; 根据华润上华(CSMC)Si基标准工艺流程, 采用器件模拟软件Silvaco,对光敏三极管结构进行构建和仿真;基于理论分析结果,通过 设计改变结构优 化光敏三极管性能。采用CSMC标准Si工艺,实现了基区面积分别为40μm、50 μm×100μm×100μm和 100μm×100μm光敏三极管的流片、封 装和测试。结果显示,所设计的光敏三极管的响应度达到 2.02A/W,放大倍数β达到 60倍,最大带宽达到50MHz左右 。并且,标准Si工艺的低成本和放大集成电路的兼容性,使得制备的光敏三极管可以广泛 适用于快速光耦合器、光数据接收器等应用领域。     

基于光学相干层析技术的甲状腺乳头状癌图像识别

光学相干层析技术（OCT）作为一种实时、无创的高分辨率成像手段，能够使用特征提取算法获得丰富的图像信息，为疾病的诊断提供客观依据。利用OCT对17例甲状腺正常组织与乳头状癌组织进行成像。针对甲状腺组织图像的特点，使用灰度共生矩阵（GLCM）、灰度直方图（GH）、中心对称自相关（CSAC）和Laws纹理测度（LM）4种算法提取图像特征值，并结合支持向量机（SVM）算法定量地评估不同特征组合的识别性能。结果显示，GLCM-GH-LM组合性能最优，能够从多个方面获得图像的纹理和灰度特征信息，灵敏度、特异性和准确度分别高达96.3%、92.2%和94.3%。研究表明，基于特征提取和机器学习的算法对甲状腺乳头状癌OCT图像进行量化分析及识别时不仅可以提供实时的监测图像，还对甲状腺恶性肿瘤临床诊断具有重要的参考价值。