In0.53Ga0.47As雪崩光电二极管单光子探测器(SPAD)的响应覆盖短波950~1700nm, 具有体积小、灵敏度高等特点, 在量子通信、激光测距、激光雷达等应用有广泛前景。工作温度是影响In0.53Ga0.47As SPAD性能的重要因素, 温度越高暗计数率越大, 导致器件的噪声也越大。研究器件温度特性是实现暗计数抑制的重要途径。建立了数学模型来提取器件光电性能参数, 通过分析吸收层、倍增层中载流子对温度的影响, 获得最优器件结构参数。最后, 制作了光敏面直径达到70μm的In0.53Ga0.47As SPAD芯片, 并进行了封装测试。结果显示, 70μm In0.53Ga0.47As SPAD在室温下的探测效率为14.2%, 暗计数率为88.6kHz, 噪声等效功率为3.82×10-16W·Hz-1/2, 仿真结果与测试结果的拟合曲线一致。

设计并制备了一种面向25Gbit/s长距离传输用背面进光高速InAlAs雪崩光电二极管(APD), 芯片采用垂直台面吸收-渐变-电荷-倍增层分离(SAGCM)结构, 通过刻蚀工艺形成三层台面, 将电场限制在最大台面倍增层的中心, 有效降低了台面边缘击穿风险。器件采用倒装焊结构, 背面集成微透镜, 以提高光耦合孔径。研制的APD芯片在增益M=1时, 对1310nm波长光的响应度为0.84A/W; 在M=10时, 3dB带宽达到19GHz; 增益带宽积为180GHz; 在5×10-5误码率下最佳灵敏度为-22.3dBm, 可支持100GBASE-ER4通信标准。

针对1064nm波段高灵敏激光测距应用, 设计了一种由单光子雪崩光电二极管(SPAD)、微型热电制冷器(TEC)、主动淬灭主动恢复电路(AQAR)、温控单元、高压单元、FPGA等混合集成的高性能单光子探测器模块。SPAD芯片采用了分离吸收渐变电荷倍增(SAGCM)的InGaAsP/InP材料结构设计, 内部电场分布经Matlab软件仿真, 结果显示该结构具有良好的增益特性。SPAD芯片通过TEC制冷保持低温工作来降低暗计数以抑制器件的噪声。低延迟AQAR由高速比较器与宽带放大器构成, 淬灭时间约为1.2ns, 有效减少了后脉冲效应。测试结果表明, 在-30℃, 探测效率为30.2%下, 暗计数率仅为1.9kHz, 在死时间为0.8μs时, 后脉冲为10.4%。通过集成化设计的单光子探测器模块具有探测效率高和暗计数率低的优势, 能够满足小型化激光测距应用需求。

提出一种表层电磁谐振器呈螺旋环的超材料太赫兹吸波器.与常规的超材料吸波器不同, 在材料的种类及厚度都不变的情况下, 仅通过改变表面螺旋环的环数或环的起始和终止位置, 就能有效地调节螺旋环超材料的太赫兹响应性能.研究发现, 该超材料的响应频率的仿真值与驻波理论计算值基本吻合, 说明螺旋环超材料的响应机理可以通过驻波理论解释、其响应频率具有可预计性.为了探究螺旋环超材料的响应机理, 还比较研究了闭合圆环及开口圆环超材料吸波器的性能.结果表明, 螺旋环、闭合圆环、开口圆环三种超材料吸波器具有部分类似的太赫兹响应性能.但是, 与另外两种超材料不同, 螺旋环超材料的表层电磁谐振器是半径连续变化的螺旋环、具有更强的耦合作用以及更加简便和灵活的性能调节方式.研究成果对超材料的理论及设计研究有新的启示.

针对传统超材料的太赫兹响应调控难度大、程序复杂的缺点, 提出调节超材料太赫兹响应特性的一种新方法.该方法是在传统三层超材料的结构与材料参数均不变的情况下, 在中间介质层中引入一条附加的金属条, 仅通过调节该金属条的位置和线宽, 就能实现超材料对入射太赫兹波的响应频率、吸收峰值等的有效调节.结果显示, 当附加金属条由底层向表层的方向移动时, 超材料的响应频率红移.当金属条位于介质的中间位置时, 超材料的吸收率达到最大(99.98%).而且, 当金属条的线宽增大时, 超材料的响应频率红移、吸收增强.此外, 当太赫兹入射角≤45°时, 该超材料的中心响应频率稳定、吸收率峰值较高.但是, 当入射角＞45°时, 超材料的响应频率蓝移、吸收率峰值明显下降.根据这种新方法, 能够对超材料的太赫兹响应进行有效控制, 同时避免设计超材料结构的复杂过程.

作为超材料的重要组成部分, 介质层是影响超材料响应特性的关键因素.固定超材料的尺寸和表层金属图形, 通过理论推导和仿真模拟详细分析了在太赫兹波段下介质层的介电常数和厚度两个参数对超材料响应特性的控制规律, 并首次确定了响应频率与介电常数的关系方程.结果表明, 在其他参数不变的情况下, 超材料的响应频率主要取决于介质层的介电常数的实部大小, 而其吸收率则主要取决于介质层的厚度.据此, 提出一种设计超材料的新方法: 首先将设计要求的响应频率代入频率方程计算出相应介质层的介电常数, 由此挑选合适的介质材料; 然后固定介电常数、调节介质层厚度, 获得在特定频率具有特定吸收率的超材料.

自然界中很多材料在太赫兹(THz)频段没有电磁响应, THz超材料的出现为太赫兹技术的发展和应用带来了新的机遇.但目前超材料太赫兹响应的调节方式比较繁琐, 影响了理论与应用研究的开展.作者提出一种调制太赫兹超材料响应的简易新方法, 即将超材料的结构单元整体按比例地放大和缩小.仿真结果表明, 已满足阻抗匹配条件的超材料结构经整体比例变化之后, 仍然满足阻抗匹配条件;而且, 调整后超材料的吸收频率与尺寸变化的倍数成反比;令人惊奇的是, 超材料的响应频带也随着单元尺寸的整体缩小而变宽.通过这种简易的尺寸变化方式, 我们可以利用普通的超材料结构, 得到一定范围内对任意入射频率具有完美吸收(吸收峰值大于98%)的太赫兹超材料.这种调制方式使超材料的设计变得更加简化, 为超材料的理论与应用(特别是在器件中的应用)研究提供了更广阔的空间.

提出了一种制备氧化钒热敏电阻薄膜的新方法。采用紫外光和过氧化氢相结合的方法，对多壁碳纳米管进行功能化处理，然后通过溶胶凝胶法，使功能化碳纳米管与V2O5相复合，制备氧化钒碳纳米管复合薄膜。与单纯的氧化钒薄膜相比，氧化钒碳纳米管复合膜的薄膜方阻和光学带隙发生减小，而电阻温度系数(TCR)和光吸收率相应增大。复合膜还具有更高的载流子迁移速率，更加适合应用到红外探测器当中。