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基于自制太赫兹检测器的快速成像系统

中国激光 2014年第8期41卷 246-249页

作者：孙振龙涂学凑姜奕康琳陈健吴培亨南京大学超导电子学研究所江苏南京210093 南京电子技术研究所江苏南京210039

利用直径为30cm卡塞格伦反射镜搭建了一套反射式太赫兹(THz)主动成像装置,并成功运用0.22THz的辐射源在室温下进行成像。分别使用自行制备的Nb5N6微测热辐射计THz常温检测器和商用VDI检测器进行成像并对结果进行了分析。成像的物体是5... 详细信息

利用直径为30cm卡塞格伦反射镜搭建了一套反射式太赫兹(THz)主动成像装置,并成功运用0.22THz的辐射源在室温下进行成像。分别使用自行制备的Nb5N6微测热辐射计THz常温检测器和商用VDI检测器进行成像并对结果进行了分析。成像的物体是5根并排排列的铜棒,铜棒直径为1.4cm,间距为5cm。改变参考频率,扫描速度,将成像时间从15s减少到7.5s。成像的范围约为20cm×6.5cm。两种检测器的成像分辨率达到1.41cm。

关键词：成像系统太赫兹卡塞格伦反射镜快速成像

4.2K硅辐射热太赫兹探测器的响应度校准（英文）

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光子学报 2015年第6期44卷 76-82页

作者：郑中信余耀孙建东李欣幸秦华涂学凑陈健中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所中国科学院纳米器件与应用重点实验室江苏苏州215123 中国科学院大学北京100049 南京大学电子科学与工程学院超导电子学研究所南京210093

提出一种基于标准黑体辐射源对宽谱太赫兹探测器进行响应度定标的方法.该方法包含一个直线型校准装置、两个定标流程和相应的模拟程序.考虑实验室温度、湿度和低通滤波器的透射特性,用该方法实现了4.2K硅辐射热太赫兹探测器的响应度定标... 详细信息

提出一种基于标准黑体辐射源对宽谱太赫兹探测器进行响应度定标的方法.该方法包含一个直线型校准装置、两个定标流程和相应的模拟程序.考虑实验室温度、湿度和低通滤波器的透射特性,用该方法实现了4.2K硅辐射热太赫兹探测器的响应度定标.对黑体辐射的傅里叶变换光谱进行测试,验证了定标程序和定标结果.分析定位了定标装置的三种主要误差来源,并提出相应的改进措施.所提定标方法适用于热释电太赫兹探测器、微型辐射热太赫兹探测器等宽谱太赫兹探测器的响应度定标.

关键词：太赫兹探测器响应度黑体滤波器水汽吸收

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氮化铌纳米线光学特性

物理学报 2018年第24期67卷 262-268页

作者：吴洋陈奇徐睿莹葛睿张彪陶旭涂学凑贾小氢张蜡宝康琳吴培亨南京大学电子科学与工程学院南京210093

氮化铌(NbN)纳米线是超导纳米线单光子探测器(SNSPD)常用的光敏材料,其光学性质是影响SNSPD性能的关键因素.本文结合实验数据和仿真结果,系统研究了多种NbN超导纳米线探测器器件结构的光学特性,表征了以下四种器件结构下的反射光谱以及... 详细信息

氮化铌(NbN)纳米线是超导纳米线单光子探测器(SNSPD)常用的光敏材料,其光学性质是影响SNSPD性能的关键因素.本文结合实验数据和仿真结果,系统研究了多种NbN超导纳米线探测器器件结构的光学特性,表征了以下四种器件结构下的反射光谱以及透射光谱:1)双面热氧化硅衬底背面对光结构;2)双面SiN硅衬底背面对光结构;3)硅衬底上以金层+SiN缓冲层为反射镜的正面对光结构;4)以分布式布拉格反射镜(DBR)为衬底的正面对光结构.并在上述四种器件结构基础上,生长了不同厚度的NbN薄膜,观察不同厚度NbN薄膜的吸收效率.经分析,发现在不同器件结构下的最佳NbN厚度与光吸收率的关系如下:双面热氧化硅衬底上的NbN层在1606 nm处最大吸收率为91.7%,其余结构在最佳NbN厚度条件下吸收率都能达到99%以上.其中双面SiN的硅衬底结构中最大吸收率为99.3%, Au+SiN为99.8%, DBR为99.9%.最后,将DBR器件实测结果与仿真结果进行了差异性分析.这些结果对高效率SNSPD设计与研制具有指导意义.

关键词：超导吸收率氮化硅布拉格反射镜

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太赫兹单光子探测器

中国科学：物理学、力学、天文学 2021年第5期51卷 20-36页

作者：石粒力吴敬波涂学凑金飚兵陈健吴培亨南京大学电子科学与工程学院超导电子学研究所南京210023 紫金山实验室南京211111

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... 详细信息

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^(-21)W/Hz^(1/2)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.

关键词：太赫兹单光子探测器量子点电荷敏感型红外光电晶体管量子电容

超导纳米线单光子探测器光子响应机制研究进展

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物理学报 2021年第19期70卷 288-306页

作者：张彪陈奇管焰秋靳飞飞王昊张蜡宝涂学凑赵清源贾小氢康琳陈健吴培亨南京大学电子科学与工程学院超导电子学研究所南京210023

超导纳米线单光子探测器(SNSPD)已在量子信息、深空激光通信、激光雷达等众多领域发挥了重要的作用.虽然SNSPD经过二十年的研究,但其光子响应本征机制还有待完善.深入理解与厘清其光子响应过程是研发高性能探测器的前提与关键.现在较为... 详细信息

超导纳米线单光子探测器(SNSPD)已在量子信息、深空激光通信、激光雷达等众多领域发挥了重要的作用.虽然SNSPD经过二十年的研究,但其光子响应本征机制还有待完善.深入理解与厘清其光子响应过程是研发高性能探测器的前提与关键.现在较为成熟的超导纳米线单光子探测器响应理论有热点模型和涡旋模型.但是这两种理论都存在一定的缺陷,前者存在截止波长,后者存在尺寸效应,都需要进一步完善.超导相位滑移是超导体的内禀性耗散,有望用于解释超导纳米线单光子探测器的光子响应过程,形成统一完备的理论.这三种模型是对SNSPD光子检测理解的不断深入:热点模型是一种唯象模型,研究电子-声子等准粒子体系的相互作用;涡旋模型由Ginzburg-Landau方程和电磁学方程出发,研究涡旋在超导体中的运动及其带来的超导态耗散;相位滑移模型是基于量子力学的解释,研究热扰动和宏观量子隧穿引发的超导态耗散.本文综述了热点模型、涡旋模型和超导相位滑移的基本概念、发展历史和研究进展,讨论和对比了这三种理论的特点和发展前景,为超导纳米线单光子探测器光子检测理论研究提供参考和借鉴.

关键词：超导纳米线单光子探测器热点模型涡旋模型超导相位滑移

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超导纳米线延迟线单光子成像器件进展及应用

激光与光电子学进展 2021年第10期58卷 17-27页

作者：孔令东赵清源涂学凑张蜡宝贾小氢康琳陈健吴培亨南京大学电子科学与工程学院江苏南京210023 南京大学超导电子学研究所江苏南京210023

单光子成像技术通过对每个光子携带的时空信息进行探测,实现对物体图像的重构。基于超导纳米线的单光子探测器具有高效率、低时间抖动、宽响应波段的优势,非常适合单光子成像场景的需求。超导纳米线延迟线单光子成像器件是一种新型的单... 详细信息

单光子成像技术通过对每个光子携带的时空信息进行探测,实现对物体图像的重构。基于超导纳米线的单光子探测器具有高效率、低时间抖动、宽响应波段的优势,非常适合单光子成像场景的需求。超导纳米线延迟线单光子成像器件是一种新型的单光子成像器件,它利用超导纳米线特有的高动态电感构造低速微波传输线,通过对输出电脉冲进行时间逻辑分析,同步读取光子的到达时刻和空间位置。本文将介绍这种成像器件的设计原理、几何结构和读出方式。同时,介绍基于此成像器件在强背景噪声下的单光子成像实验,证明了通过高性能器件和重构算法的联合优化所实现的成像系统性能增强。

关键词：成像系统单光子成像超导器件单光子探测器超导纳米线光子计数成像计算成像

基于超导单光子探测器的红外光学系统噪声分析和优化

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物理学报 2024年第6期73卷 360-367页

作者：周飞陈奇刘浩戴越魏晨袁杭王昊涂学凑康琳贾小氢赵清源陈健张蜡宝吴培亨南京大学电子科学与工程学院超导电子学研究所南京210023 网络通信与安全紫金山实验室南京211111

高灵敏度的红外探测系统对于远距离探测有巨大的潜力,但光学系统内部的噪声会抑制探测系统的信噪比,从而降低探测灵敏度与探测距离.本文基于红外超导纳米线单光子探测器,设计了一个工作在中红外波段的光学系统,构建了红外光学系统自发... 详细信息

高灵敏度的红外探测系统对于远距离探测有巨大的潜力,但光学系统内部的噪声会抑制探测系统的信噪比,从而降低探测灵敏度与探测距离.本文基于红外超导纳米线单光子探测器,设计了一个工作在中红外波段的光学系统,构建了红外光学系统自发辐射计算模型,理论分析了红外光学系统的信噪比和噪声特性.首次提出了利用高性能超导单光子探测器精确表征红外光学系统的微弱背景辐射光信号,为优化设计红外系统提供了依据.并且基于超导单光子探测器的光子计数能力,研究了光学系统的背景辐射对红外探测系统性能的影响,并优化了光学系统的性能.实验结果表明,超导单光子探测器对于分析红外光学系统具有较高的灵敏度,最小可分辨移动距离为2.74×10^(-2)mm,在黑体温度为100℃时,光子计数率提高了6.4×10^(4)cps(1 cps=1 cycle per second),光学系统的耦合效率提升了97%;在黑体温度为102℃时,光子计数率提高了9.1×10^(4)cps,光学系统的耦合效率提升了114%,降低了杂散辐射对探测系统的影响,同等条件下系统信噪比提升2.7倍,对于超导红外探测系统的应用研究具有重要意义.

关键词：红外光学系统超导单光子探测器灵敏度信噪比

Nb5 N6 microbolometer太赫兹检测器

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南京大学学报（自然科学版） 2014年第3期50卷 269-272页

作者：涂学凑毛庆凯徐磊孙振龙康琳金飚兵陈健吴培亨南京大学超导电子学研究所南京大学南京210093

随着太赫兹科学技术的快速发展,太赫兹检测器件的性能也在不断提高,为微弱信号的检测和太赫兹成像奠定了坚实的基础.本文针对Nb5N6薄膜材料,研制了Nb5N6microbolometer阵列芯片及其基于这种芯片的太赫兹准光型接收机.单个Nb5N6 microbol... 详细信息

随着太赫兹科学技术的快速发展,太赫兹检测器件的性能也在不断提高,为微弱信号的检测和太赫兹成像奠定了坚实的基础.本文针对Nb5N6薄膜材料,研制了Nb5N6microbolometer阵列芯片及其基于这种芯片的太赫兹准光型接收机.单个Nb5N6 microbolometer的直流电压响应最高达760V/W,对应的直流噪声等效功率(NEP)为1.3×10-11 W/√Hz.在实际系统中,由串联结构的Nb5N6 microbolometer构成的准光接收机,光学电压响应率高达428V/W,对应的光学噪声等效功率(NEP)为2.3×10-11 W/√***5N6 microbolometer太赫兹检测器室温工作、工艺简单、检测灵敏度高,响应时间快,便于集成超大规模阵列,为太赫兹信号检测提供了一种有效的途径.

关键词： Nb5N6薄膜太赫兹检测器太赫兹成像

超大面积超导纳米线阵列单光子探测器设计与制备

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物理学报 2022年第24期71卷 446-456页

作者：张笑吕嘉煜管焰秋李慧王锡明张蜡宝王昊涂学凑康琳贾小氢赵清源陈健吴培亨南京大学电子科学与工程学院超导电子学研究所南京210023

超导纳米线单光子探测器(SNSPD)是综合性能最优异的新型单光子探测器之一,而传统的单像元SNSPD不具备空间分辨力,且光敏面小,光学耦合效率存在瓶颈,因此,研制大面积阵列器件是自由空间光子探测等应用的关键.然而,由于器件光敏面由大量... 详细信息

超导纳米线单光子探测器(SNSPD)是综合性能最优异的新型单光子探测器之一,而传统的单像元SNSPD不具备空间分辨力,且光敏面小,光学耦合效率存在瓶颈,因此,研制大面积阵列器件是自由空间光子探测等应用的关键.然而,由于器件光敏面由大量超导纳米线组成,研发大面积的阵列SNSPD面临工艺复杂、成品率低、制备困难等问题.本文设计了一种超大面积纳米线阵列结构,利用电子束抗蚀剂氢倍半硅氧烷(HSQ)曝光后可形成氧化硅电学隔离层的特点,仅使用简化二维工艺即可完成大阵列SNSPD的制备,对多层结构的传统立体工艺实现了降维.器件经过行方向并联测量,未发现坏点,成品率高,且实现了基础的成像功能验证.此外,本设计中采用了全超导电极以减少电阻热效应,并在像元内增设了串并联电阻,从而均分偏置电流,同时能够可选地扩展阵列规模.本工作为超大型阵列SNSPD的设计与制备提供了一种思路,并有望应用于百万像素阵列SNSPD的制备,与高效读出电路结合实现兼备大视场和高灵敏度的焦平面光子探测与成像系统.

关键词：超导纳米线单光子探测器阵列器件工艺优化平面隔离层

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