表面等离激元光学微腔型InGaAs/InP单光子探测器的光学传输和光电耦合机理研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    61405231
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    25.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    F0502.光子与光电子器件
  • 结题年份:
    2017
  • 批准年份:
    2014
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2015-01-01 至2017-12-31

项目摘要

Single photon detectors play an important role in the development of quantum information technology. Dark count rate is the basic parameter for a single photon diode. InGaAs/InP single photon avalanche photodiodes(APDs) suffer from dark count rates that are higher than for the commercial Si counterparts. The devices' dark count rates are directly related to the dark current , which reduces with the reduction of the area. This project presents a novel InGaAs/InP single photon APD integrated with a plasmonic optical microcavity, which includes concentric circular metallic artificial structure layer, dielectric layer and metallic artificial structure layer(MIM). Based on the coupling of surface plasmon polaritions, light with specific wavelength is efficiently collected and converged on the InGaAs/InP avalanche diode. As a result, ultra low dark current could be realized through reducing the device's area to the order of micrometers , while retaining the optical responses. The novel InGaAs/InP single photon APD could effectively overcome the drawback of high dark count rates that originated from material defects, and greatly improve single photon detection performances.
单光子探测器的性能对未来量子信息技术的发展有着极其重要的作用。暗计数是单光子探测器最基本的指标。相对于成熟的硅基单光子探测器,近红外波段的InGaAs/InP雪崩光电二极管(APD)单光子探测器的技术瓶颈在于暗计数较高。反映暗计数的直接指标就是器件的暗电流,减小器件的结面积是有效减小暗电流的途径之一。本项目提出一种新型的表面等离激元光学微腔型InGaAs/InP APD单光子探测器,通过在InGaAs/InP APD器件上集成一种同心圆环形的金属人工结构-介质层-金属人工结构(MIM)的光学微腔结构,基于金属表面等离激元的耦合效应,实现对特定波长的光的汇聚增透作用,从而在保持器件光响应的前提下,通过减小APD器件的有效工作尺寸至微米量级来实现极低的暗电流。这种InGaAs/InP APD单光子探测器能够有效克服器件材料缺陷所导致的器件暗计数大这一缺点,从而显著提高其单光子探测水平。

结项摘要

单光子探测器的性能对未来量子信息技术的发展有着极其重要的作用。暗计数是单光子探测器最基本的指标。相对于成熟的硅基单光子探测器,近红外波段的InGaAs/InP雪崩光电二极管(APD)单光子探测器的技术瓶颈在于暗计数较高。反映暗计数的直接指标就是器件的暗电流,减小器件的结面积是有效减小暗电流的途径之一。本项目提出一种新型的表面等离激元光学微腔型InGaAs/InP APD单光子探测器,通过在InGaAs/InP APD器件上集成一种同心圆环形的金属人工结构-介质层-金属人工结构(MIM)的光学微腔结构,基于金属表面等离激元的耦合效应,实现对特定波长的光的汇聚增透作用,从而在保持器件光响应的前提下,通过减小APD器件的有效工作尺寸至微米量级来实现极低的暗电流。理论上,实现了MIM表面等离激元光学微腔的结构优化设计,确立真实情况下各物理参数的实际敏感度。针对MIM表面等离激元光学微腔APD器件,实现了符合实际结构和实际材料参数的光波传输和光电转换的物理模型设计,获得了优化的器件参数。实验上,实现了MIM光学微腔型APD原型器件。APD的光敏面直径为5μm,MIM光学微腔的实际入光面直径为33μm。集成MIM光学微腔的APD器件光学响应与30μm尺度APD器件相当,90%击穿电压下暗电流约为2.5×10^-11A(同样工艺条件下30μmAPD器件暗电流约2e-9A水平),暗电流降低80倍,且这一暗电流水平已经优于此类器件的国际先进水平(4×10^-10A)。本项目的研究表明,等离激元光学微腔与APD器件的集成,是一种极为有效的光电联合调控手段。在保证器件光响应的前提下,将APD器件的有效工作尺寸减小至μm量级,实现了极低的暗电流,有效克服器件材料缺陷对器件性能的影响,将能进一步提高单光子探测性能,突破现有InP基APD单光子探测器的性能极限,使其在量子通信、激光三维成像等系统中得到广泛应用。

项目成果

期刊论文数量(5)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(5)
专利数量(1)
InN0.01Sb0.99薄膜的红外反射光谱及探测特性和退火的影响
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
    红外与毫米波学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    黄亮;景友亮;刘希辉;李倩;陈平平;李志锋
  • 通讯作者:
    李志锋
Origin of large dark current increase in InGaAs/InP avalanche photodiode
InGaAs/InP雪崩光电二极管暗电流大幅增加的根源
  • DOI:
    10.1063/1.4999646
  • 发表时间:
    2018-04
  • 期刊:
    Journal of Applied Physics
  • 影响因子:
    3.2
  • 作者:
    温洁;王文娟;陈锡仁;李宁;陈效双;陆卫
  • 通讯作者:
    陆卫
Plasmonic optical convergence microcavity based on the metal-insulator-metal microstructure
基于金属-绝缘体-金属微结构的等离激元光学会聚微腔
  • DOI:
    10.1063/1.4984921
  • 发表时间:
    2017-06
  • 期刊:
    APPLIED PHYSICS LETTERS
  • 影响因子:
    4
  • 作者:
    J. Wen;W. J. Wang;N. Li;Z. F. Li;W. Lu
  • 通讯作者:
    W. Lu
Angular dependence of optical modes in metal-insulator-metal coupled quantum well infrared photodetector
金属-绝缘体-金属耦合量子阱红外光电探测器中光学模式的角度依赖性
  • DOI:
    10.1063/1.4947036
  • 发表时间:
    2016-04-01
  • 期刊:
    AIP ADVANCES
  • 影响因子:
    1.6
  • 作者:
    Jing, YouLiang;Li, ZhiFeng;Lu, Wei
  • 通讯作者:
    Lu, Wei

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  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    王文娟;玉米提·哈力克;塔依尔江·艾山
  • 通讯作者:
    塔依尔江·艾山

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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