1 北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京 100191
2 南京大学电子科学与工程学院超导电子学研究所，江苏 南京 210093
单光子激光雷达是一种基于微弱光探测的新型激光雷达技术，可实现单个光子探测与计数，目前已达到了理论的探测极限。单光子激光雷达技术与弱光探测、超远距探测、人工智能等技术领域紧密结合并共同发展，产生了诸多研究成果。不同于传统激光雷达，单光子激光雷达通过对回波光子信号进行时间累积恢复出回波信号的离散波形，获取目标距离与反射率信息。回顾了单光子激光雷达系统和相关算法的发展历史，重点介绍了典型的单光子激光雷达系统与图像重建算法，讨论了单光子激光雷达在远距离探测和无人驾驶领域的技术应用和发展现状，并对其未来发展前景进行了展望。
成像系统 激光雷达 时间相关单光子计数 远距离探测成像 无人驾驶汽车 中国激光
2022, 49(19): 1910003
1 网络通信与安全紫金山实验室，江苏 南京 211111
2 南京大学超导电子学研究所，江苏 南京 210023
3 中国空间技术研究院通信与导航卫星总体部，北京 100094
针对无线光通信中的收发技术，从空间光通信和水下光通信两方面梳理相关的研究进展，根据不同场景从通信波段、调制方式、光电探测器三个方面总结无线光通信收发技术的发展趋势，分析单光子探测在无线光通信中的应用前景，并报道了本研究组将串联型超导纳米线单光子探测器应用于空间光通信取得的结果，为相关研究工作的开展提供借鉴和思路。
光通信 无线光通信 空间光通信 水下光通信 光电探测器 单光子探测 调制解调 激光与光电子学进展
2022, 59(5): 0500001
1 南京大学电子科学与工程学院, 江苏 南京 210023
2 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。
激光与光电子学进展
2021, 58(10): 1011002
红外与激光工程
2020, 49(8): 20190536
1 兰州理工大学 电气工程与信息工程学院, 甘肃 兰州 730050
2 南京大学 电子科学与工程学院, 江苏 南京 210093
通过实验比较研究了基于SNSPD与SPAD探测器的激光测距系统.实验中, 当接收回波端衰减120 dB时, 天空光背景可忽略, 基于SPAD的激光测距系统探测概率低于0.2%, 而基于SNSPD的激光测距系统探测概率达35%; 当激光发射频率低于1 kHz, 基于SNSPD的激光测距系统探测概率比SPAD高60%以上.研究表明：在探测弱信号回波光子时, SNSPD的探测性能远远优于SPAD, 其原因是SNSPD具有较低的暗计数和高探测概率.与此同时, 在接收端无衰减情况下, 天空光背景会带来暗计数, 影响测距系统信噪比.通过仿真分析表明, 当背景亮度L0高于30 W/(m2·sr)时, 该基于SNSPD的激光测距系统的信噪比低于6, 可能影响测距系统稳定探测.
超导纳米线单光子探测器 激光测距 光子计数 暗计数 天光背景 superconducting nanowire single photon detector laser ranging photon counting dark count skylight background
Author Affiliations
Abstract
1 Key Laboratory for Space Object Measurements, Beijing Institute of Tracking and Telecommunications Technology, Beijing 100094, China
2 Research Institute of Superconductor Electronics, Nanjing University, Nanjing 210093, China
3 Yunnan Observatory, Chinese Academy of Sciences, Kunming 650011, China
4 Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, China
We demonstrate laser-ranging results for non-cooperative targets at ranges of 237 m and 19 km using superconducting nanowire single-photon detectors (SSPD). We upgrade the kilohertz rate laser-ranging system with a newly developed SSPD module, and the equivalent detection diameter is enlarged to 50 μm with a fiber and micro-lenses. Both retroreflectors and non-cooperative surfaces of aluminum foil, a solar panel, and a concrete panel at distances of 237 m and 19 km, whose echoes are of single-photon level, are ranged with sub-centimeter precision. Experimental signal-to-noise ratio curves with the product of quantum efficiency and system transmittance are obtained, which indicates that our system, with an average laser power of 0.8 W and a receiving aperture of 1.2 m, may be capable for space debris ranging at a distance of 800 km. This work suggests that SSPDs have the potential to be used for space debris surveillance.
280.3400 Laser range finder 120.0280 Remote sensing and sensors 040.5570 Quantum detectors 120.1880 Detection Chinese Optics Letters
2016, 14(7): 071201
1 北京跟踪与通信技术研究所空间目标测量重点实验室, 北京100094
2 中国科学院云南天文台应用天文研究组, 云南 昆明 650011
3 南京大学电子科学与工程学院超导电子学研究所, 江苏 南京 210093
提出了将超导纳米线单光子探测器(SSPD)应用于空间碎片激光测距的构想，并通过理论分析和等效外场实验进行了可行性论证。根据SSPD 在门控时间内允许多次测量的特性，建立了信噪比随回波光子数的变化模型，并考察了激光器发射重复频率、天光背景噪声强度、探测器暗计数率等参数对信噪比的影响，结合回波光子数方程和噪声强度，以云南天文台激光测距系统为例，推算出该系统具备探测830 km 处米级大小空间碎片的能力。结合光纤耦合条件，设计了以太阳能板为目标的外场实验，通过改变光学系统透过率，获得了信噪比随回波光子数变化的实验曲线，验证了利用信噪比变化推测系统作用距离方法的有效性，理论和等效实验结果均表明超导纳米线探测器有望实现空间碎片激光测距。
探测器 激光测距 超导纳米线单光子探测器 信噪比 回波光子数 空间碎片
