1 山东大学 激光与红外系统集成技术教育部重点实验室，山东 青岛 266237
2 山东大学 光学高等研究中心，山东 青岛 266237
3 山东大学 信息科学与工程学院，山东 青岛 266237
近年来，单光子探测技术在激光雷达等方面的应用越来越受到研究人员的关注。研制了基于InGaAs负反馈雪崩二极管（Negative Feedback Avalanche Diode, NFAD）的自由运转式集成型近红外单光子探测器。设计将被动淬灭原理的NFAD与主动淬灭技术结合，针对NFAD的信号读出电路易受电磁干扰的问题，创新地提出了无前级放大器的雪崩信号高阻抗差分提取电路，并采用吸波材料对关键电路部分进行了屏蔽，同时提高了淬灭性能和稳定性。此外，为了降低暗噪声计数率，针对集成制冷型NFAD器件的散热进行了详细的热设计，对集成热电制冷的NFAD器件和高速淬灭电路发热量较大的特点进行了电路和散热结构设计优化。通过实验对淬灭电路性能、散热设计和抗干扰设计进行了验证。结果表明：无前置放大器设计的探测器性能稳定，对1550 nm波长光子的最高探测效率可达33%，在−50 ℃、10%探测效率时可用死时间低至120 ns，此时暗计数率890 Hz，后脉冲概率10.6%。探测器散热性能良好，环境20 ℃风冷下的最低制冷温度可稳定在−58 ℃。上述结果表明这一低噪声计数、高集成度的通信波段近红外单光子探测器尤其适用于对性能和环境空间要求更严苛的应用场合。
单光子雪崩二极管 负反馈雪崩二极管 单光子探测 近红外 主动淬灭 single-photon avalanche diode negative-feedback avalanche diode single-photon detection near infrared active quenching 红外与激光工程
2023, 52(3): 20220907
1 山东大学 a.光学高等研究中心
2 b.信息科学与工程学院，山东青岛 266237
3 山东大学 b.信息科学与工程学院，山东青岛 266237
4 中国科学院 a.上海技术物理研究所，上海 200083
5 b.上海微系统与信息技术研究所，上海 200050
为了增强短波红外成像仪的成像对比度，提高目标的识别率，介绍了一种基于现场可编程门阵列 (FPGA)的灰度拉伸算法的实现方法。利用视频数据两帧之间灰度分布近似的特性，通过统计上一帧图像的灰度分布，计算图像拉伸所需要的参数，处理当前帧的图像，达到实时处理的效果。在灰度统计模块中，利用 FPGA的片上块随机存储器 (Block RAM)资源，采用非倍频的流水线数字逻辑设计，避免了跨时钟域的操作，降低了系统状态机的复杂度，提高了系统的工作频率。采用国产 320×256元 InGaAs面阵探测器，搭载了 Xilinx Artix-7系列芯片的实验平台进行实验，仿真结果表明,该方法能有效提高短波红外图像的对比度，具有占用资源少、运算速度快、成本低、可移植性高等优点，满足短波红外成像仪实时灰度拉伸处理的设计要求。
灰度统计 灰度拉伸 现场可编程门阵列 块随机存储器 grayscale statistics grayscale stretching Field Programmable Gate Array Block RAM 太赫兹科学与电子信息学报
2022, 20(7): 713
1 山东大学激光与红外系统集成技术教育部重点实验室, 山东 青岛 266237
2 山东大学光学高等研究中心, 山东 青岛 266237
3 山东大学信息科学与工程学院, 山东 青岛 266237
针对1.06 μm单光子探测应用,研制了基于InGaAsP/InP单光子雪崩二极管(SPAD)的集成型快速主动淬灭近红外单光子探测器。在制冷封装中集成关键淬灭元件并优化SPAD驱动电路,使得所研制的探测器具有极短的淬灭延迟,同时实现了较低的功耗和紧凑的设计。探测器具有良好的综合性能,在-30 ℃、10%探测效率、100 ns死时间条件下,后脉冲概率约为10%,暗计数率约为1 kHz;最短死时间低至50 ns,最大可用探测效率达30%。所研制的探测器采用105 μm/ 125 μm多模光纤耦合,尺寸仅为63 mm×54 mm×44 mm,且集成了门控、参数控制和时间相关单光子计数等功能,适用于体积受限的单点和多波束激光雷达系统。
中国激光
2021, 48(12): 1212002
1 山东大学 光学高等研究中心, 山东 济南 250100
2 山东大学 晶体材料国家重点实验室, 山东 济南 250100
3 山东大学 信息科学与工程学院, 山东 济南 250100
4 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 传感技术联合国家重点实验室, 上海 200050
5 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
新型短波红外单片集成光谱传感器(MCSS)是光谱传感物联网的核心感知部件.提出了一种MCSS的波长定标方法, 根据相对光谱响应度和波长分配原则把相邻像素组成一个定标通道.分别采用MCSS和两款商用光谱仪测量标准物质的光谱.实验结果表明, 平均定标偏差为1.8 nm, 与一款具有相似FWHM和取样间隔的商用光谱仪接近, 能够满足实际应用的需要.
短波红外 单片集成光谱传感器 波长定标 光谱传感物联网 shortwave infrared monolithically integrated spectral sensor wavelength calibration spectral-sensing Internet of Things
国防科学技术大学ATR实验室, 湖南 长沙 410073
充足的目标红外辐射数据集是研究弹道目标检测、跟踪与识别的必备前提, 以往弹道目标红外数据仿真模型强调特定参数场景下的光学成像研究, 以解决目标检测和关联跟踪等图像信息处理问题; 而目标识别所需的数据仿真模型更注重在可能的动态参数范围内对目标辐射强度信号变化规律的探究。为了满足目标识别的数据仿真要求, 着重探讨了目标场景参数和辐射强度信号动态变化特性; 并根据仿真结果分析了影响数据差异特性的底层因素, 为设计适合任意仿真场景数据的目标识别算法予以启示。
数据仿真 目标识别 动态参数 data stimulation target recognition dynamic parameters 红外与激光工程
2016, 45(10): 1004002
1 山东大学光学高等研究中心，山东 济南 250100
2 山东大学信息科学与工程学院，山东 济南 250100
以APD-PIN结电容平衡门控猝灭电路(GPQC)和InGaAs/InP雪崩光电二极管(APD)为核心研制了可工作在宽门控频率范围下的近红外单光子探测器。门控信号为200 MHz以下任意重复频率的尖脉冲，门宽约1 ns，脉冲幅度约10 Vpp。采用与APD结电容特性相近的PIN高频二极管研发了APD-PIN结电容平衡门控猝灭电路，可有效地抑制门控微分噪声中的低频分量，抑制比大于40 dB。采用一组简单的9阶贝塞尔型电感-电容(LC)低通滤波电路滤除残余的高频噪声分量，并使用通用的宽带射频放大器对雪崩信号进行放大。在-52 ℃，0.1~200 MHz门控频率条件下，10%探测效率时暗计数率、后脉冲概率分别小于6×10-6/gate、1.9%，最高探测效率可达26.4%。
单光子探测 低通滤波器 雪崩光电二极管 single photon detection low-pass filter avalanche photodiode 红外与激光工程
2015, 44(11): 3181
1 山东大学 光学高等研究中心, 山东 济南 250100
2 山东大学 信息科学与工程学院, 山东 济南 250100
报道了一种基于InGaAs/InP雪崩光电二极管、1.25 GHz正弦波门控及贝塞尔低通滤波器的1.25 GHz高速短波红外单光子探测器.通过调整比较电路的鉴别电平, 实验研究了单光子探测器雪崩信号幅度随反向直流偏压的变化.随着鉴别电平的提高, 单光子探测器的探测效率及暗计数率均呈指数衰减, 而后脉冲概率先增大到一个峰值, 然后减小.研究表明, 为获得更高的性能, 需要尽量降低单光子探测器的鉴别电平.
InGaAs/InP 雪崩光电二极管 单光子探测器 短波红外 InGaAs/InP APD single-photon detector short-wavelength infrared 红外与毫米波学报
2015, 34(4): 0427
1 山东大学光学高等研究中心, 山东 济南 250100
2 山东大学晶体材料研究所, 山东 济南 250100
3 山东大学信息科学与工程学院, 山东 济南 250100
利用电感电容(LC)低通滤波电路及InGaAs/InP雪崩二极管(APD)研制了200 MHz工作频率的近红外高速单光子探测器，LC低通滤波器采用简单的7阶椭圆函数滤波电路设计，探测器驱动采用脉冲门控电路及880 MHz、175 MHz低通滤波电路。在-40 ℃工作条件下，探测器探测效率、暗计数率、后脉冲概率典型值分别为11.8%、2.22×10-6/gate、1.89%。探测效率为10%时，随工作温度升高，探测器暗计数率增大，后脉冲概率则减小。在保证工作温度及门控幅值不变的条件下，随着APD反向直流偏压的升高，探测效率逐渐增大并趋于一个定值，而暗计数率及后脉冲概率则持续增大。采用相同的滤波器组合及正弦门控也可获得性能良好的1 GHz单光子探测器，在-40 ℃工作条件下，探测器探测效率、暗计数率、后脉冲概率典型值分别为11%、1.9×10-6/gate、1.48%。
光电子学 量子通信 单光子探测 电感电容低通滤波器 雪崩二极管 光学学报
2013, 33(s2): s204001
