硅基阻挡杂质带红外探测材料与器件研究进展

红外探测在天文物理研究领域具有极其重要的应用前景,由于天文深空探测对象的特殊性,对红外探测器的性能要求十分苛刻.阻挡杂质带(BIB)红外探测器,因其具有响应波段宽、噪声低、灵敏度高以及抗辐射性能好等优点,在过去30年中发展成为国际上天文领域首选的红外探测器.BIB红外探测器的探测波长覆盖中红外到远红外波段,它的推广应用促进人类在天文深空探测领域取得了一系列重大的科学成果.我国在BIB红外探测器的研究起步较晚,近年来也取得了较大进展,但是与国际领先水平相比尚有较大差距.本文主要回顾、评述了过去5年多我国在BIB红外探测器领域的研究进展,对BIB红外探测材料及其相应BIB器件的制备工艺、物性表征和光电响应特性,以及表面等离激元对器件光电响应的调控等做了详尽介绍,为我国BIB红外探测器的发展提供参考和实验依据.     

天文用阻挡杂质带红外探测器

低温目标红外辐射的灵敏探测和成像在航天和深空探测中具有重要的应用价值.300 K以下低温目标的辐射强度很弱,辐射特征波长位于中远红外区.阻挡杂质带红外探测器是中远红外探测器中重要的一员,具有覆盖波段宽、灵敏度高、暗电流低、抗辐射性能高等优点,能够胜任空间技术和天文探测在中远红外波段探测的苛刻要求.本文以红外天文探测对红外探测器的应用需求作为出发点,主要就国内外红外天文学、红外天文探测器发展概况,阻挡杂质带红外探测器发展历史及其材料、器件结构等方面做了简要综述,并简明扼要地介绍了阻挡杂质带探测器的器件物理模型.     

太赫兹单光子探测器

太赫兹波探测技术在天文、国防、安检以及生物等领域发挥着越来越重要的作用.随着技术的发展,太赫兹探测器的灵敏度在不断提高,目前已经发展到单光子探测水平.在太赫兹频段,由于光子能量低,传输损耗较大,太赫兹单光子探测器的研制开发面临极大的技术挑战.本文首先介绍了太赫兹单光子探测器的基本原理、主要指标和测试系统并提出了实现太赫兹单光子探测的基本要求.然后,介绍了几种常见的太赫兹单光子探测器,包括半导体量子点探测器、量子阱探测器以及超导量子电容探测器,并对这些器件的发展历史、工作原理和性能指标进行了概述.半导体量子点探测器以及量子阱探测器可以实现10-21W/Hz1/2量级的噪声等效功率,并且具有很大的电流响应以及动态范围,但是其量子效率较低.超导量子电容探测器目前已实现1.5 THz的单光子探测,其噪声等效功率优于10~(-20)W/Hz~(1/2)并且探测效率可达90%.此外,纳米测热辐射计等太赫兹探测器也展现了太赫兹单光子探测的前景,本文对其工作原理和发展现状进行了介绍.结合目前国际上的重大研究项目以及报道的应用实例分析了太赫兹单光子探测器在太赫兹成像、天文观测、量子信息等领域的应用前景,阐述了太赫兹单光子探测器在这些应用中的优势.最后,对太赫兹单光子探测器的性能指标进行了总结并对未来的发展趋势进行了展望.     

高灵敏度宽禁带半导体紫外探测器

以碳化硅(SiC)和Ⅲ族氮化物为代表的宽禁带半导体是近年来国内外重点研究和发展的新型第三代半导体材料,具有禁带宽度大、导热性能好、电子饱和漂移速度高以及化学稳定性优等特点,用于工作于紫外波段的光探测器件具有显著的材料性能优势.宽禁带半导体紫外探测器的主要应用包括:国防预警、环境监测、化工和生化反应的光谱分析和过程检测、以及天文研究等.本文主要回顾近年来南京大学在此方面开展的一些代表工作,所涉及到的典型器件有:具有极低暗电流的AlGaN基日盲MSM紫外探测器、高量子效率AlGaN基日盲雪崩光电探测器、以及SiC基可见光盲紫外单光子探测器.     

一种新的矿物热发光现象的光电探测方法

矿物被激发而发光 ,光通量极其小 ,其检测属于微弱光信号检测的范畴 .结合传统的弱光信号的光电探测方法 ,研究了一种以电荷耦荷探测器 (简称CCD)为核心的新的矿物热发光信号的探测方法 ,并以长石矿物的三维热释光谱图为例 ,分析了该光电探测方法的特点 .据实验结果可知 ,长石矿物的热释光谱图的辐射剂量响应的灵敏度整体上比石英的灵敏度大得多 ,其谱图从光子能量角度可以分成蓝光波段和红光波段两部分 ,而且红光信号比蓝光信号稳定 ,重现性好 ,峰峰值易分离等 ;采用以电荷耦荷探测器为核心的光电探测系统 ,能够较好地区分矿物受激发光的光子能量分布 .     

月球探测的进展与我国月球探测的科学目标

在简述月球探测的历程与趋势的基础上,强调当代月球探测的总体目标为：(1)研究月球与地月系的起源和演化,特别是月球大气层与磁场的消失,矿物与岩石的分布和形成环境、月壤和内部层圈结构的形成以及月球演化的历程;(2)探测月球的资源、能源和特殊环境的开发利用及对人类社会长期可持续发展的支撑。我国不载人月球探测划分为绕、落及回三个阶段。为了全球性、整体性重新认识月球,绕月卫星探测的科学目标为获取全月面三维影像,探测14种有用元素的全球分布与丰度,探测月壤厚度并估算^3He资源量以及太阳活动对空间环境的影响。“落”为月球探测器软着陆就位探测和月球车巡视探测,建立月基光学、低频射电和极紫外天文观测平台。“回”为月球探测器软着陆就位探测和取样返回地面。     

深空探测对我国地面测控站升级的需求?

我国近年建成的深空测控网可以对未来的火星探测任务和其他深空探测任务实现自主测量和控制,并且同时具备对深空探测器的微波测速测距和VLBI测量能力.遥远深空探测任务加大了微波信号在星-地链路之间的往返传输时间,改变了测控链路信号的上、下行路线几何构型,导致同一个天线系统难以对探测器同步完成上、下行链路的业务,是对目前地面测控通信能力的挑战.本文以典型的火星探测为例,分析了深空探测器的微波闭环跟踪测控对我国深空测控系统单站设备的升级需求,并对深空站相应的改造提出了建议:1)单站单一天线上、下行时分交替测控模式;2)利用设置了单一天线的多个深空测控站协同三程开环链路测控,实现对探测器的控制和遥测;3)采用DSN/JPL/NASA的方案,在每个深空测控站配置多套天线系统,全部天线共用台站时频资源实现单站闭环上、下行实时连续测控.     

超导纳米线单光子探测器研究新进展

现代科学技术已经发展到利用单个光子的量子态载运信息和进行计算.因此,高效、灵敏地探测单个光子是量子计量、量子通信、非线性光学等量子信息科学研究中最基础的技术之一.超导纳米线单光子探测器(SNSPD)是一种新型单光子检测器,具有暗计数低、探测速率高、检测频谱宽等优点,在众多领域存在潜在应用.本文概述了超导单光子探测器的工作机制和理论模型,重点介绍了兼容4inch硅工艺的SNSPD器件的关键技术工艺,如器件设计、材料结构、制备工艺和封装技术等.研制的超导单光子探测器,在1550nm波段,系统的单光子检测效率最高达到75%,暗计数小于100cps,与国际最好水平相当.在不断提高SNSPD性能研究的同时,还开展了利用SNSPD进行光子数分辨的研究,以及将其应用于光时域反射仪(OTDR)中,进行长距离光纤状态的分析和检测研究.     

多光子(n≥2)荧光共焦成像特性

研究了有限尺寸光源和探测器的任意多光子荧光过程(n≥2)不同波长荧光共焦成像的分辨率,导出了相应的三维强度脉冲响应函数和光学传递函数[3D OTF],证明多光子过程可以克服光源和探测器有限孔径、荧光波长增大对系统3D OTF的不利影响;获得了普遍的点源、点探测器系统的光学传递函数[3D OTF]横向、纵向截止频率和相应的通频带(也适用单光子荧光情况).     

光子在LYSO晶体中传输的Monte Carlo模拟

为了获得PET探测器设计中闪烁晶体表面不同处理方式对探测效率的影响,使用DETECT2000对光子在LYSO(Lu1.9Y0.1SiO5∶Ce,硅酸镥)晶体中的光学输运特性进行了蒙特卡罗模拟.探测器由一个4 mm×4 mm×25 mm的LYSO晶体与一个PMT耦合组成.模拟结果显示:入射面为粗糙面(漫反射面),其余均为抛光面并在外层(入射面和与PMT耦合的面除外)包有反射介质。反射介质的反射率越高,则探测效率越高,并且其探测效率是晶体所有表面作抛光处理方式的1.6倍.在探测器设计过程中,需要选取反射率大于0.98的反射介质作为反射层.     

锑化物超晶格长波红外焦平面探测器研究进展

锑化物的研究开始于20世纪50年代,70年代随着超晶格概念及后来能带工程的出现,锑化物在红外探测领域的潜力逐渐显露.基于现实的需求,锑化物材料的生长外延及工艺处理技术取得了快速进步,这也得益于之前对Ⅲ-Ⅴ族材料的大量研究.Ⅱ类超晶格(T2SL)的发展主要源于两个主要原因:首先相对于HgCdTe材料,Ⅱ类超晶格具有低成本、可重复性、可操作性、高均匀性等优势,尤其在长波红外及以上波段,Ⅱ类超晶格相对于HgCdTe的优势更明显.其次与HgCdTe材料相比,Ⅱ类超晶格具有很低的俄歇复合概率,这意味着Ⅱ类超晶格红外探测器具有比HgCdTe探测器更低的暗电流或更高的工作温度,提高长波焦平面的工作温度对于降低成像系统的功耗、尺寸及重量至关重要.另外,大气窗口在8–14μm有最高的透射率,同时温度为室温(300 K)的物体所发射的红外辐射波长大约为10μm.因此,长波红外探测对于InAs/GaSbⅡ类超晶格极具价值.理论上Ⅱ类超晶格红外探测器在等效截止波长下能提供同等或超越HgCdTe探测器的性能.但由于Ⅱ类超晶格材料在少子寿命上与HgCdTe存在很大差距,导致Ⅱ类超晶格探测器在耗尽区有很高的产生复合电流.为了抑制产生复合电流及其他机制暗电流,提出了各种结构并应用于Ⅱ类超晶红外探测器上,如PπMN结构、CBIRD以及单极势垒型等,极大地降低了长波器件的暗电流,同时增加了器件阻抗及探测率.此外,InAs/InAsSb超晶格的提出,避免了由Ga在禁带引入复合中心,有效地提高了少子寿命.随着Ⅱ类超晶格技术及理论的不断完善,锑化物超晶格长波焦平面在可操作性、均匀性、稳定性、可扩展性上的优势将更为明显.     

边沿检测算法性能常用评估方法的分析与比较

边沿质量评估方法在边沿精准性度量中意义重大,但尚缺少对这些评估方法的系统研究。本文介绍了几种常用的边沿检测性能评估方法及其工作原理,并从算法的复杂度及方法的适用性等方面进行全面分析和比较,展开了测试验证试验进一步说明其计算复杂度及针对性应用等方面的差异,为合理选择边沿质量评估方法提供参考,以达到准确而有针对性地评估边沿检测算法性能的目的。     

基于神经网络的智能多用户检测技术在CDMA中的应用

多用户检测技术是第 3代移动通信系统IMT 2 0 0 0中的一项关键技术。求解最优多用户检测器的目标函数的最小值问题可以转化为求解Hopfield神经网络的能量函数的最小值问题。对两种基于神经网络的智能多用户检测器进行性能分析和计算机仿真 ,通过与最佳多用户检测器和传统检测器的比较 ,证实了这两种神经网络检测器都能较好地实现多用户检测的功能 ,因此 ,神经网络多用户检测技术是一种切实可行的方案     

长波和甚长波及其双色InAs/GaSb二类超晶格红外探测器的研究进展

本文报道了基于InAs/GaSb二类超晶格实现长波、甚长波及窄带长波/甚长波双色红外探测器的研究,生长的材料具有极高的材料质量.长波探测器单管器件在77 K条件下50%截止波长为9.6μm,峰值响应为3.2 A/W,峰值量子效率为51.6%;甚长波红外探测器单管器件在77 K条件下50%截止波长为14.5μm,量子效率为14%,热噪声限制的探测率为4.3×109 cm Hz1/2 W-1.通过改变偏压极性实现双色探测的窄带型长波/甚长波InAs/GaSb二类超晶格红外探测器两端器件,偏压小于0 V时在长波区工作,偏压大于40 mV时,在甚长波区工作.具体来说,偏压为-0.1 V时,器件光响应50%截止波长为10μm;而偏压为40 mV时,器件光响应50%截止波长为16μm.对于长波光响应,δλ/λ为44%,对于甚长波响应,δλ/λ为46%.甚长波对长波的串音为9.9%,长波对甚长波的串音为11.8%.     

第3代移动通信系统中的多用户检测技术

讨论了第3代移动通信系统中的多用户检测技术；多用户检测（MUD：Multi-User Detection)技术在传统检测技术的基础上，充分利用造 成多址干扰（MAI:Multiple Access Interference)的所有用户信号信息对单个用户的信号进行检测，从而具有优良的抗干扰性能，首先，给出了多用户检测性能界限；然后具体分析了两类用户检测，给出了它们的实现框图，性能曲线，以及各自的优缺点。     

Real-Time Multi-View Face Detection and Pose Estimation Based on Cost-Sensitive AdaBoost

Locating multi-view faces in images with a complex background remains a challenging problem.In this paper, an integrated method for real-time multi-view face detection and pose estimation is presented.A simple-to-complex and coarse-to-fine view-based detector architecture has been designed to detect multiview faces and estimate their poses efficiently. Both the pose estimators and the view-based face/nonface detectors are trained by a cost-sensitive AdaBoost algorithm to improve the generalization ability. Experimental results show that the proposed multi-view face detector, which can be constructed easily, gives more robust face detection and pose estimation and has a faster real-time detection speed compared with other conventional methods.     

CDMA系统中多用户检测算法的研究

在DS-CDMA系统中,多用户检测技术是抗多址干扰和“远近效应”的有效方法,因此也成为了第三代移动通信的关键技术之一。文中通过仿真比较分析了传统检测器、最优检测器、解相关检测器、MMSE检测器、串行干扰抵消检测器、并行干扰抵消检测器和解相关判决反馈检测器等经典多用户检测器的误码率、渐近多用户有效性和抗远近能力,并从计算复杂度和所需的假定知识两个方面讨论了这些检测器的实现复杂度。     

Immune Based Intrusion Detector Generating Algorithm

Immune-based intrusion detection approaches are studied. The methods of constructing self set and generating mature detectors are researched and improved. A binary encoding based self set construction method is applied. First, the traditional mature detector generating algorithm is improved to generate mature detectors and detect intrusions faster. Then, a novel mature detector generating algorithm is proposed based on the negative selection mechanism. According to the algorithm, less mature detectors are needed to detect the abnormal activities in the network. Therefore, the speed of generating mature detectors and intrusion detection is improved. By comparing with those based on existing algorithms, the intrusion detection system based on the algorithm has higher speed and accuracy.