基于单光子雪崩二极管的成像技术综述

单光子成像技术涉及半导体工艺、光电器件以及集成电路设计等多个方面,基于单光子雪崩二极管的成像技术具有高动态二维灰度成像、高精度三维成像和荧光寿命成像能力,在安防监控、自动驾驶和生物医疗等领域具有广阔的应用前景。伴随着半导体工艺技术的飞速发展,单光子成像技术有望成为应用广泛的下一代视觉感知技术。本文对基于单光子雪崩二极管的成像技术进行了系统的介绍,包括单光子雪崩二极管器件、单光子成像涉及的关键电路以及二维灰度和时间分辨单光子图像传感器的最新研究进展。

γ辐照对InGaAsP/InP单光子雪崩探测器性能的影响

对InGaAsP/InP单光子雪崩探测器(SPADs)进行了总剂量为10 krad(Si)和20 krad(Si)的γ辐照,并进行了原位和移位测试。辐照后,暗电流和暗计数率有轻微的下降,而探测效率和后脉冲概率基本不变。经过一定时间的室温退火后,这些退化基本恢复,这表明瞬态电离损伤在γ辐照对InGaAsP/InP单光子雪崩探测器的损伤中占主导地位。

单光子计数太赫兹雷达直接探测方法与性能研究

针对远距离非合作目标探测,现有太赫兹雷达由于受到发射机功率低、大气衰减效应等因素影响,其作用距离有限,难以满足对目标的预警探测应用需求。为提升太赫兹雷达探测能力,该文研究了基于单光子探测技术的目标超灵敏探测方法,利用单光子探测器替代传统雷达接收机,有望显著提升太赫兹雷达的作用距离。首先,该文分析了太赫兹单光子雷达信号光子数的统计规律,从微观角度阐述了目标的回波特性,进一步,结合超导量子电容探测器的特点,建立了太赫兹单光子目标探测模型;此外,推导得到太赫兹单光子雷达目标检测性能数学表达式,并通过仿真实验对目标检测性能进行了验证和分析,获得了雷达检测性能曲线;最后开展了时间分辨太赫兹光子计数原理验证实验,通过回波脉冲计数的方式实现了目标高精度测距。该文工作将为太赫兹频段超灵敏探测技术及单光子雷达系统的研究与发展提供支撑。

单光子发射计算机断层扫描-计算机断层扫描局部断层融合显像对胰腺癌125 I粒子植入术后诊断价值

目的探讨单光子发射计算机断层扫描-计算机断层扫描(SPECT-CT)局部断层融合显像对胰腺癌125 I粒子植入术后诊断价值。方法回顾性分析2016年12月至2019年2月于郑州大学第一附属医院行125 I粒子植入术胰腺癌患者6例,患者术后48 h内行SPECT-CT上腹部局部断层融合显像。患者术前、术后均行放射治疗计划系统(TPS)计划及验证。结果6例胰腺癌患者SPECT-CT局部断层融合显像显示,胰腺癌肿块内125 I粒子分布均匀,其粒子及周边区域放射性分布均匀,肿块周边正常组织内放射性明显减低,肿块内未见明显放射性分布稀疏区、缺损区,放射性分布与术前TPS计划及术后TPS验证基本一致。其中1例患者腹腔肠道内游离粒子1颗。结论SPECT-CT局部断层融合显像对胰腺癌125 I粒子植入术后肿块内粒子及放射性分布提供良好的影像学信息。

室温下高探测效率InGaAsP/InP单光子雪崩二极管

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。

基于运算放大器的超导纳米线单光子探测器低温直流耦合读出电路

超导纳米线单光子探测器(SNSPD)具有高计数率、高探测效率和低暗计数等优点,在光量子通信、光量子计算、激光测距与成像等领域发挥着重要作用.SNSPD的最大计数率(探测速度)会受前级读出电路的影响,为了提升最大计数率,通常需要使用一个宽带宽的低温直流耦合读出电路.本文报道了基于商用高速运算放大芯片OPA855搭建的SNSPD低温直流耦合放大读出电路,系统表征了该电路从室温300 K到低温4.2 K下的性能参数.通过提升OPA855的工作电压,解决了电路在低温下带宽损失的问题.进一步,将OPA855放大电路安装在40 K温区,使用其实现了SNSPD探测性能的实验评估.相对于常规室温交流耦合电路,SNSPD的最大计数率约提升了1.3倍.本研究可为OPA855芯片在高速SNSPD等低温领域提供相关参考信息.

一种对高速运动目标的单光子测距方法

作为一种前沿的激光探测技术,单光子激光测距技术已成功应用于月球测距、卫星测距和地面测高等领域。然而,单光子测距在机载空对空、地对空平台上对高速运动目标进行跟踪测距时,回波光子落在不同的时间窗,导致直接计数无法有效提取信号的问题仍需解决。针对空对空条件下单光子激光测距的应用需求,基于时间相关光子计数技术设计一种适用于全天时、宽时域、多噪声条件下对高速运动目标的单光子测距方法。该方法采用阵列单光子探测器和相邻时间窗相关统计多帧处理算法提取激光回波光子信号,并在Matlab平台上对算法进行仿真实验,使用多元阵列单光子探测器实现最大测程百公里以上、背景噪声计数率约为5 MHz、单脉冲回波光子计数平均值为1条件下的回波光子信号提取。该方法能够克服传统单光子探测只能对准静态目标测距,只能在小接收视场和小波门范围等弱背景噪声及目标轨迹可预测条件下应用的限制,将单光子探测由只能固定平台夜晚对准静态目标测距推广至通用平台全天时对高速运动目标测距。

单光子雪崩二极管SPICE仿真模型的建立和应用

单光子雪崩二极管(SPAD)作为一种高效的光子探测器件被广泛应用于量子通信和三维成像等领域。在Cadence中建立了一个SPAD的Spice模型,通过Verilog-A语言,采用两个e指数函数的组合,以连续函数的方式描述了SPAD在盖革模式区等效电阻的动态变化。这两个e指数函数分别体现了高阻区和低阻区的等效电阻特性,解决了分段电阻模型仿真不收敛的问题。该Spice模型模拟了SPAD器件在“接收光子-雪崩产生脉冲-淬灭-复位”工作过程中的动态特性和SPAD从正偏到二次击穿的静态I-V特性。将其应用到4种不同淬灭电路的仿真中,验证了该模型的有效性和稳定性。

全天候工作单光子计数激光雷达

【目的】单光子探测以及单光子测距系统在三维成像和超远距离空间遥感等方向有着广泛的应用。然而,由于器件本身的限制以及太阳光的背景噪声等因素,其应用场景大多处于夜间状态。【方法】文章通过改进传统激光雷达系统,使用全光纤光学系统,利用超窄带宽光纤滤波,大大提高了系统的稳定性,配合机械运动控制实现了超大视角和超高分辨率,且为可以在日间和雾天等光学环境恶劣环境下工作的单光子成像系统。同时,文章所提改进激光雷达系统基于大气穿透性好、传输损耗低的1550 nm波段进行设计,提升了在雾天以及雨天的工作能力。【结果】文章所提系统在能见度为500 m左右的雾天状态实现了1.6 km外物体的三维成像,其成像距离是当时能见度的3倍。配合超高分辨率的时间/数字转换器,并根据激光雷达系统的系统响应函数构建模型,利用最小化负对数似然函数对直方图的强度信息和距离信息进行优化,可以大大提升距离分辨率,相比于最大值法得到的0.05 m的距离分辨率,文章所提系统结合最小化负对数似然函数方法将距离分辨率提升到了0.006 m。同时通过对图像进行正则化处理来抑制光子技术的涨落对成像效果的影响,以此来消除图片中的噪点。【结论】基于1550 nm的全光纤激光雷达系统具备很强的机械稳定性,具备在恶劣天气工作的能力,在远程遥感测绘、地面及车载激光雷达等领域具备极大的应用价值。

单光子激光雷达技术发展现状与趋势

随着单光子探测器件及技术的快速发展,具有光子级高灵敏度探测能力的单光子激光雷达已成为研究热点,并在遥感测绘、智能驾驶和消费电子等领域发挥日益重要的作用。本文聚焦于采用单光子雪崩光电二极管探测器的激光雷达技术与系统,介绍了脉冲累积、编码调制和啁啾调制三种单光子激光雷达探测原理。考虑到单光子探测器与处理算法的重要性,概述了单光子探测器的发展现状,以及典型的信号处理算法,并梳理了单光子激光雷达在远距离探测、复杂场景探感、星载/机载测绘遥感、智能驾驶导航避障和消费电子3D感知等领域的应用情况和典型系统实例。最后,分析展望了单光子激光雷达技术在器件、算法、系统和应用领域的未来发展趋势及面临的潜在挑战。

基于密度与局部统计的单光子点云去噪方法

针对北京遥测技术研究所自主研发的64通道机载单光子激光雷达,提出一种基于密度与局部统计的二维剖面点云去噪方法:在确定信号点云的高程区间后,先使用基于密度的改进空间聚类算法粗去噪,然后使用基于局部统计的统计移除离群点算法精去噪,获取信号点云。实验结果表明,本方法可适用于多种地物类型点云,高程均方根误差为0.27 m,准确率90.78%,精度高于常规点云去噪算法,满足国产机载单光子激光雷达获取高精度地表三维轮廓的技术需求。

金属微纳结构操控单光子发射体辐射

固态单光子发射体结合了原子优异的光学性质(如高可靠性、高效率等)和固态系统的便利性与可扩展性,在可扩展光量子信息技术中扮演着重要角色。然而,真空中固态单光子发射体所发出的单光子具有自发辐射速率低、各向同性发射、发射光的偏振状态随机等不足,这极大地限制了其应用。金属微纳结构支持的表面等离激元具有巨大的场增强和亚波长的场束缚效应,因此国内外研究者设计了各种各样的金属微纳结构来操控单光子发射体的辐射。本研究综述了金属微纳结构在单光子发射体自发辐射增强、准直辐射、辐射偏振操控等方面的研究进展,重点比较了性能指标并分析了操控机制。最后,对金属微纳结构操控单光子发射体辐射的挑战和发展进行了展望。

中山大学光电材料与技术国家重点实验室在鲁棒性拓扑角态微腔中的半导体量子点单光子发射方面取得重大进展

中山大学电子与信息学院喻颖、余思远教授团队联合中山大学物理学院陈晓东、董建文教授团队设计实现了与单个InAs/GaAs量子点的确定性耦合、单量子点的Purcell增强以及偏振的单光子发射,克服了量子拓扑光子学领域中拓扑角态与单个量子点的确定性耦合的难题。相关成果以“Single photon emitter deterministically coupled to a topological corner state”为题,于2024年1月发表在Light:Science & Application。

基于单光子线性APD的信息提取算法研究

针对新型单光子线性APD器件获得信息维度多、灵敏度高的特点,提出了一种基于单光子线性APD的微弱回波信号距离信息提取算法。首先利用微弱信号的泊松分布特性对回波信号进行建模,随后对每纳秒内的回波光子数进行统计,利用与脉宽等宽的距离窗进行滑窗求和,将最大值位置作为信号脉冲接收时刻,进而反算距离信息。设计了跟踪前的目标搜索策略和稳定跟踪后的距离门匹配算法,有效降低了背景光干扰和计算资源消耗,在回波光子数分别为200、10、5个时分别获得了100、9993、9658的计算正确率。对单光子量级信号设计了脉冲积累算法,单个光子信号回波的计算正确率为995。同时对静止目标通过算法迭代实现了信噪比为0dB甚至负dB的信息提取,对003个光子信号回波探测的计算正确率为961。仿真结果表明该算法可以综合应用单光子线性APD的强度信息以及单光子灵敏度,实现了在极限灵敏域下的距离信息提取。

人工智能深度学习在单光子计算机断层显像中的研究进展

人工智能深度学习技术在医学影像领域中的应用是近年来的研究热点。单光子计算机断层显像(SPECT)作为核医学影像诊断中的重要分支,为临床提供可靠的影像信息,特别是在功能显像方面具有独特优势。该文回顾近年来深度学习在SPECT中主要研究方向、研究价值和应用现状,总结现阶段各研究中存在的不足,并对未来的研究进行展望。

单光子激光通信测距一体化系统设计

超导单光子探测技术能够实现光子量级极微弱光接收,是深空探测的关键技术之一,然而光子概率分布产生的脉冲抖动效应造成通信、测距性能恶化。对此,设计了基于脉冲位置调制(pulse position modulation,PPM)调制的单光子激光通信测距一体化系统。根据光子分布特性,提出了脉冲宽度压缩的PPM新波形,降低了脉冲抖动效应对通信可靠性、测距精度的影响。同时,研制了星载端与地面端原理样机,搭建了双向通信与同步转发测距试验验证平台。试验验证结果表明,同等接收功率(-53.2 dBm)条件下,采用1/4脉宽压缩比时,通信接收误码率从4.7×10^(-4)降至5×10^(-10),测距精度从23.61 cm提高至0.91 cm,实现了高可靠通信传输与高精度距离测量。

用于量子密钥分发系统的单光子探测器控制软件

单光子探测器是量子密钥分发系统的核心组成部分,其性能和安全性对QKD系统有着重要影响。为实现对量子密钥系统中单光子探测器的标定和监控,本文基于C++/Qt技术设计了一种单光子探测器控制软件系统,实现了对单光子探测器的测量控制、数据存储分析、数据可视化显示等功能。该软件基于模块化、层次化思想,设计了易于扩展的系统架构,具备交互友好的图形用户界面,兼容千兆以太网口、RS232串口的通信接口,可满足不同应用场景下数据传输的需求。所设计的控制软件具备单光子探测器控制、性能标定、状态监测、异常告警、攻击事件检测预警等功能,可大大提高单光子探测产品性能标定、状态检测、安全防护的工作效率,保障探测器产品的安全稳定运行,从而保障QKD系统的安全性。

单光子探测器研究现状与发展

单光子探测器的研制是量子光学和量子信息领域的一个重要研究课题。单光子探测器突破了传统探测器只针对振幅进行采样的局限,同时对光波或者光子的偏振、波矢、位相等特性进行探测,具有可保持测量信号完整性、理论量子效率高、工作电压低、探测灵敏度高等优点,同时具有室温单光子探测的潜力。为了深入了解单光子探测器的研究现状和发展前景,本文介绍了单光子探测器的工作机理,总结对比了光电倍增管、雪崩光电二极管等传统单光子探测器以及基于新型二维材料的雪崩光电二极管、超导纳米线单光子探测器等新型单光子光电探测器的优势与不足,并对其发展前景进行了展望。此外还介绍了单光子探测器在量子通信、激光测距和成像等领域的应用。

多个单光子间量子干涉获证

据报道,由奥地利维也纳大学菲利普·瓦尔特领导的一个国际研究团队在量子技术方面取得重大突破:成功利用一种新型资源高效平台展示了多个单光子之间的量子干涉。发表在最新一期《科学进展》上的这项研究代表了光学量子计算领域的一大进步,为开发更具扩展性的量子技术铺平了道路。光子之间的干涉是量子光学中一种基本现象,是光量子计算的关键。它涉及利用光的特性(例如波粒二象性)来诱导干涉图案,使编码和处理量子信息成为可能。

基于最小二乘平面拟合的单光子激光数据处理技术分析

阐述一种基于最小二乘平面拟合的单光子激光数据处理技术,采用重复轨道算法和最小二乘平面拟合算法,经过数据提取、数据处理等步骤,对ICESat-2-ATL06陆地冰数据进行处理,并以CookE2冰下湖为例,解算出某时间段的沿轨高程变化及其高程变化率。