半导体上转换红外单光子探测研究
结题报告
批准号:
91221201
项目类别:
重大研究计划
资助金额:
340.0 万元
负责人:
张月蘅
依托单位:
学科分类:
A24.量子调控
结题年份:
2016
批准年份:
2012
项目状态:
已结题
项目参与者:
郑杭、李雪、徐鹤靓、施永明、杨耀、郝明瑞、傅爱兵、张帅
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中文摘要
单光子探测对于量子信息和量子通信等需求意义重大,是“单量子态检测及相互作用”研究的基础。1.3至1.55微米光纤通信波段是量子信息等应用的首选波段,而该波段尚缺乏可靠易用的高性能单光子探测手段。针对此问题,本项目提出半导体红外上转换单光子探测方案:通过半导体红外探测器和发光二极管集成获得红外上转换器件,将光纤通信波段红外单光子转换为1微米波长以下近红外单光子,随后利用Si单光子探测器探测。此方案有望获得高探测效率、高最大计数率、低暗计数率、以及高工作温度,具备重要的实际应用前景。项目将深入研究半导体材料和结构中红外单光子吸收和单光生载流子输运、复合特性,实现材料生长和器件制备的精确调控,最终研制一种性能优异、结构紧凑的红外单光子探测方案。通过该项目,我们将深入研究红外单光子的吸收、单电子空穴对激发、单载流子输运和复合、单光子发射等关键科学问题,透彻理解单载流子层面的噪声机制。
英文摘要
Single photon detection is of great importance to quantum information and quantum communication, and is fundamental to “single quantum state measurement and interaction” research. 1.3 to 1.55um optical-fiber wavelength region is the number one chosen wavelength region for quantum information applications, however reliable and easy-to-use high performance single photon detection techniques are still lacking. Targeting this problem, this project proposes a semiconductor infrared upconversion single photon detection approach: through integrating semiconductor infrared detector and light-emitting diode resulting in infrared upconversion device, converting optical-fiber wavelength single photon into less-than-1um near-infrared single photon, using Si single-photon detection system finally realizing infrared single photon detection. This approach has the potential for high detection efficiency, high maximum-count rate, low dark count, and high-temperature operation, thus having important practical applications prospect. This research explores in details infrared single photon absorption and the resulting single carrier transport and recombination processes, realizes precise control of materials growth and device fabrication, and at the end achieves a high performance and compact single infrared photon detection technique. The scientific problems of the project include the processes of a single photon absorption and the resulting excitation of a single electron-hole pair or exciton, break-apart of electron-hole pair or exciton and the subsequent single carrier transport, and finally recombination of single electron (or hole) among a sea of holes (or electrons), which involves many-body effects, resulting in single photon emission. In addition, the physics of noise at the single carrier level must be studied to ensure that the upconversion process generates no or minimal noise.
单光子探测对于量子信息和量子通信等需求意义重大,是“单量子态检测及相互作用”研究的基础。1.3 至1.55 微米光纤通信波段是量子信息等应用的首选波段,而该波段尚缺乏可靠易用的高性能单光子探测手段。针对此问题,本项目通过半导体红外上转换实现单光子探测,将光纤通信波段红外单光子转换为1 微米波长以下近红外单光子,随后利用Si 单光子探测器探测。首先针对微弱信号探测的InGaAs PIN探测器,以及在极弱电流驱动下的GaAs/AlGaAs LED通过理论进行了研究和优化,在此基础上生长材料并制备了器件,获得高性能的InGaAs PIN以及GaAs/AlGaAs LED分立器件。然后利用针对小片键合特别设计的键合夹具,实现了晶片键合,将探测器与发光二极管实现器件集成,集成后的上转换器件可以获得比较好的内量子效率及上转换性能。利用该器件与Si SAPD的集成,我们成功地在室温情况下实现了飞瓦级别功率的1.5微米波长光的探测,并且在热电制冷条件下可以获得更好的性能。成功验证了基于半导体上转换单光子的可行性。
期刊论文列表
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专利列表
Re-examining the Doping Effect on the Performance of Quantum Well Infrared Photodetectors
重新审视掺杂对量子阱红外光电探测器性能的影响
DOI:--
发表时间:2014
期刊:IEEE Journal of Quantum Electronics
影响因子:2.5
作者:W.Z.Shen;Y. H. Zhang;Harald Schneider;Huichun Liu
通讯作者:Huichun Liu
DOI:--
发表时间:2016
期刊:Optics Letters
影响因子:3.6
作者:Khanna, S. P.;Linfield, E. H.;Zhang, Y. H.;Wang, T. M.
通讯作者:Wang, T. M.
Protecting coherence by reservoir engineering: intense bath disturbance
通过油藏工程保护相干性:强烈的水浴扰动
DOI:10.1007/s11128-016-1327-7
发表时间:2016-08
期刊:Quantum Information Processing
影响因子:2.5
作者:Zhou, Zixian;Lu, Zhiguo;Zheng, Hang
通讯作者:Zheng, Hang
Anneal treatment to improve the performance of extended wavelength In0.83Ga0.17As photodetectors
退火处理提高宽波长In0.83Ga0.17As光电探测器的性能
DOI:10.1016/j.infrared.2015.03.005
发表时间:2015
期刊:Infrared Physics & Technology
影响因子:3.3
作者:Li Ping;Li Tao;Deng Shuangyan;Li Xue;Shao Xiumei;Tang Hengjing;Gong Haimei
通讯作者:Gong Haimei
Terahertz Imaging With Quantum-Cascade Laser and Quantum-Well Photodetector
使用量子级联激光器和量子阱光电探测器进行太赫兹成像
DOI:10.1109/lpt.2013.2265303
发表时间:2013-07
期刊:Ieee Photonics Technology Letters
影响因子:2.6
作者:Tan, Z. Y.;Zhou, Tao;Cao, J. C.;Liu, H. C.
通讯作者:Liu, H. C.
GaAs基的光子型超宽谱探测器的物理与器件研究
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    55万元
  • 批准年份:
    2022
  • 负责人:
    张月蘅
  • 依托单位:
基于频率上转换的异质结太赫兹成像的物理及器件研究
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    62万元
  • 批准年份:
    2020
  • 负责人:
    张月蘅
  • 依托单位:
新型近红外频率上转换器件的研究
  • 批准号:
    19ZR1427000
  • 项目类别:
    省市级项目
  • 资助金额:
    0.0万元
  • 批准年份:
    2019
  • 负责人:
    张月蘅
  • 依托单位:
同质结远红外/太赫兹探测器的研究及可靠性评估
  • 批准号:
    11074167
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    45.0万元
  • 批准年份:
    2010
  • 负责人:
    张月蘅
  • 依托单位:
远红外探测器上谐振腔应用的研究
  • 批准号:
    10774100
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    35.0万元
  • 批准年份:
    2007
  • 负责人:
    张月蘅
  • 依托单位:
谐振腔质增强的同质结远红外探测器的物理研究
  • 批准号:
    10304010
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    25.0万元
  • 批准年份:
    2003
  • 负责人:
    张月蘅
  • 依托单位:
国内基金
海外基金