中国科学院上海技术物理研究所传感技术联合国家重点实验室，上海 200083
杂散光抑制是保证红外遥感数据定量化反演精度和图像质量的前提。为了抑制系统杂散光，利用点源透过率（PST）与杂散光系数（VGI）的函数关系计算了VGI，并分别用VGI和杂散比（NSR）作为指标对系统外部杂散光和系统背景辐射的抑制方法进行了研究。结果表明：采用冷光学设计能有效抑制系统背景辐射，此时系统工作的三个波段NSR从4.5以上降低至0.35以下。制冷机制冷是冷光学设计和探测器工作的基础，研究了杜瓦窗口和冷屏设计对VGI、NSR和制冷机功耗的影响，进而优化了窗口和冷屏的设计参数。拟合实验数据明确了杜瓦漏热与制冷机功耗的函数关系，提出了一种低制冷功耗和高杂散光抑制的冷屏设计，此时杜瓦漏热为1.7 W，制冷机功耗为103.72 W，系统的VGI从1.95%降低至1.92%，窗口的NSR下降了60%，满足项目要求。研究结果解决了低温光学设计、制冷机功耗和杂散光抑制等一系列问题，组件通过力学试验，已成功运用于某项目用光谱成像仪中。
光学设计 杂散光 杜瓦窗口 冷光学设计 杂散光系数 制冷功耗
1 上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093
2 中国科学院上海技术物理研究所红外探测全国重点实验室，上海 200083
InGaAs单光子探测器已被广泛应用于激光三维成像、长距离高速数字通信、自由空间光通信和量子通信等。针对单元、线列和小面阵器件，已发展出同轴封装、蝶形封装、插针网格阵列封装等多种封装形式。探讨了温度对InGaAs单光子器件性能的影响及组件温控方法；系统比较分析了针对光学元件如微透镜、透镜、光纤等与芯片的高精度耦合方法；针对高频信号输出，总结了引线类型、布线方式、封装结构设计等问题；展望了InGaAs单光子探测器的发展趋势。
雪崩光电二极管 InGaAs 单光子探测器 封装 激光与光电子学进展
2024, 61(9): 0900009
Author Affiliations
Abstract
1 Beijing National Research Center for Information Science and Technology (BNRist), Department of Electronic Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China
2 China Mobile Research Institute, Beijing 100053, China
3 MIIT Key Laboratory for Low-dimensional Quantum Structure and Devices, School of Materials Sciences & Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China
With the swift advancement of neural networks and their expanding applications in many fields, optical neural networks have gradually become a feasible alternative to electrical neural networks due to their parallelism, high speed, low latency, and power consumption. Nonetheless, optical nonlinearity is hard to realize in free-space optics, which restricts the potential of the architecture. To harness the benefits of optical parallelism while ensuring compatibility with natural light scenes, it becomes essential to implement two-dimensional spatial nonlinearity within an incoherent light environment. Here, we demonstrate a lensless opto-electrical neural network that incorporates optical nonlinearity, capable of performing convolution calculations and achieving nonlinear activation via a quantum dot film, all without an external power supply. Through simulation and experiments, the proposed nonlinear system can enhance the accuracy of image classification tasks, yielding a maximum improvement of 5.88% over linear models. The scheme shows a facile implementation of passive incoherent two-dimensional nonlinearities, paving the way for the applications of multilayer incoherent optical neural networks in the future.
Photonics Research
2024, 12(4): 682
为了对空域目标的方位角和俯仰角进行有效估计, 提出一种基于稀疏表示的双平行线阵二维 DOA估计方法。首先需构建包含目标方位角和俯仰角信息的 2个空间复合角; 然后利用稀疏表示技术求解其中的一个空间复合角, 以此作为前提条件, 另一个空间复合角就可以解耦为一维波达方向(DOA)估计问题, 利用矩阵运算可以求解出来; 最后根据已求解的 2个空间复合角对方位角和俯仰角进行配对求解。与现有算法相比较, 所提方法受快拍数的影响较小, 在信噪比较高、角度间隔较大的情况下, 具有良好的性能。
稀疏表示 双平行线阵 波达方向 空间复合角 sparse representation double parallel line array Direction Of Arrival spatial compound angle 太赫兹科学与电子信息学报
2023, 21(7): 910
1 中国科学院上海技术物理研究所，上海200083红外探测全国重点实验室，上海200083
2 中国科学院上海技术物理研究所，上海200083红外探测全国重点实验室，上海200083无锡中科德芯感知科技有限公司，江苏 无锡214135
人类的探索欲望及数千年来的不断积累促成了20世纪60年代的四大天文发现，而大气层对天文观测的一些根本性限制促使人们在20世纪冲出地球进入太空。在宽广的波段进行天文观测有着极为苛刻的要求，新猜想和模型的提出也要求进行新的验证，这些都促进了观测设备及器件的性能趋于极致。本文旨在对此进行简要的回顾分析并列举一些典型实例，侧重考察其探测波段、主镜或天线的口径、探测仪器及所用器件的类型和性能等，以便进行纵向和横向的比较，温故而思新。
天文观测 红外 太赫兹 毫米波 射频与微波 astronomical observation infrared terahertz millimeter wave radio frequency and microwave
1 中国铁道科学研究院集团有限公司 a.铁道建筑研究所
2 b.高速铁路轨道技术国家重点实验室, 北京 100081
为了探明大直径中空孔直眼掏槽爆破的力学机理, 采用理论分析和数值模拟方法研究了大直径中空孔直眼掏槽爆破的空孔应力集中效应。建立了空孔应力集中效应的力学模型, 基于弹性力学和波动力学理论阐明了空孔应力集中效应的力学机理; 开展了典型工况下大直径中空孔直眼掏槽爆破的数值模拟, 并基于应力波传播、岩体损伤和岩体第一主应力峰值等结果分析了空孔的应力集中效应。研究结果表明: 空孔应力集中效应主要源自孔洞应力集中效应和应力波叠加效应; 大直径中空孔直眼掏槽爆破过程中, 应力波在空孔壁处发生反射并与入射波产生叠加, 叠加多位于空孔邻近区域以及掏槽孔间区域; 岩体损伤程度较高的区域主要为掏槽孔周边、空孔周边以及相邻掏槽孔与空孔形成的三角区域, 掏槽孔周边以外的损伤区域与应力波叠加区域基本对应; 空孔附近存在显著的应力集中效应, 且距空孔壁越近的位置应力集中效应越明显。研究成果拟为隧道工程大直径中空孔直眼掏槽爆破设计提供理论基础。
隧道工程 掏槽爆破 数值模拟 应力集中效应 中空孔 tunnel engineering cut blasting numerical simulation stress concentration effect empty hole
1 中国科学院上海技术物理研究所传感技术国家重点实验室，上海 200083
2 中国科学院上海技术物理研究所红外成像材料与器件重点实验室，上海 200083
3 中国科学院大学，北京 100039
集成冷光学的红外探测器杜瓦封装在中波、长波红外组件研制中具有重要意义，有利于抑制红外辐射背景、提升仪器灵敏度和集成度。提出了集成冷光学的中波、长波双波段探测器杜瓦组件，设计了一体化冷平台支撑、低漏热透镜支撑等新结构，解决了冷光学透镜组与探测器组合、双波段探测器透镜组之间高精度配准及高强度单点支撑钎焊等新工艺，建立了该冷光学集成组件杜瓦的冷面温度均匀性、双温区控制以及低热负载等关键参数。实现了杜瓦液氮热负载小于0.85 W，中波工作于73 K，冷面温度均匀性0.36 K，长波工作于65 K，冷面温度均匀性0.08 K，探测器与透镜组配准精度偏差优于±10 μm，探测器光学模组间配准偏差优于±15 μm。该新型杜瓦已通过一系列空间环境适应性试验验证，成功应用于风云四号系列气象卫星大气垂直探测仪中。
光学设计 双波段红外探测器 杜瓦集成封装 冷光学 低温透镜组 高精度配准 中国激光
2023, 50(23): 2310003
陆逸凡 1,2,3汪鸿祎 1,2,3陶文刚 1,2,3,4曹嘉晟 1,2,3[ ... ]李雪 1,2
1 中国科学院上海技术物理研究所 传感技术联合国家重点实验室, 上海 200083
2 中国科学院上海技术物理研究所 中国科学院红外成像材料与器件重点实验室, 上海 200083
3 中国科学院大学,北京 100049
4 上海科技大学,上海 200083
为了适应第三代红外焦平面高密度、微型化发展方向,设计了一款大面阵小像元低功耗640×512-5 μm InGaAs短波红外焦平面读出电路。重点研究了3T像素单元简易结构的性能,分析其对芯片暗电流、焦平面噪声的影响,实现了卷帘曝光工作方式、列级缓冲器动态工作以及四通道输出功能。利用可编程增益放大器,实现增益可调以及噪声抑制功能。基于0.18 μm 3.3 V标准CMOS工艺,在输入时钟频率为5 MHz条件下,对小像素单元进行性能分析,阵列窗口进行四通道输出以及线性度仿真。结果表明,电容反馈跨阻放大器（CTIA）输入级偏压变化约30 mV,工作帧频为54 Hz,输出摆幅为1.7 V,最大功耗小于150 mW,线性度为99.987%。
小像元 红外焦平面阵列 读出电路 CTIA结构 暗电流 small pixel IRFPA ROIC CTIA structure dark current
1 中国科学院上海技术物理研究所 传感技术国家重点实验室，上海 200083
2 中国科学院上海技术物理研究所 红外成像材料与器件重点实验室，上海 200083
3 中国科学院大学，北京 100049
根据“天问一号”火星矿物光谱仪短波红外探测组件小型化、轻量化、低功耗的需求，分析了红外探测器匹配性设计、集成式制冷机杜瓦适应性研制的难点。针对短波红外探测器高灵敏度、低温目标及多光谱探测需求的长积分时间模式的集成封装、抗大量级星器分离冲击等特点，提出了高信噪比探测器总体设计、具有噪声隔离和集成式冷平台结构设计、抗径向冲击的斜支撑结构设计等。解决了短波红外集成组件探测器低温下低热应力、长积分时间下干扰隔离、大量级力学加固、航天应用的高可靠性厚膜电路研制等关键技术。成功研制了短波碲镉汞探测器杜瓦制冷组件，并经过高低温循环、随机振动及机械冲击等严苛的空间环境热学力学适应性试验验证，试验前后组件性能未发生明显变化，满足火星矿物光谱仪工程化应用的要求。
红外探测器 集成式制冷杜瓦组件 力学冲击 火星矿物光谱分析仪 天问一号 infrared detector IDDCA shock Mars mineralogical spectrometer (MMS) Tianwen-1 红外与激光工程
2023, 52(10): 20230005
1 中国科学院上海技术物理研究所 传感技术国家重点实验室，上海 200083
2 中国科学院红外成像材料与器件重点实验室，上海 200083
3 中国科学院研究生院，北京 100039
系统研究了快速热退火对锌扩散的In0.53Ga0.47As/InP PIN探测器的影响。利用电化学电容电压和二次离子质谱技术分析了退火前后Zn和净受主的浓度分布，结果表明退火过程会影响杂质浓度，但不影响扩散深度。制备了不同退火条件的In0.53Ga0.47As/InP PIN探测器。器件测试反映，未退火的探测器在260~300K具有更低的器件电容和更高的激活能。通过暗电流成分拟合对器件暗电流机制进行分析，未退火器件表现出更低的肖克利-里德-霍尔产生复合电流和扩散电流，因而室温下未退火器件具有更高的峰值探测率。为了制备高性能低掺杂吸收层结构的平面型InGaAs探测器，快速热退火是不必要的工艺。
短波红外 铟镓砷探测器 快速热退火 扩散 shortwave infrared InGaAs detector rapid thermal annealing diffusion
