声表面波生物传感器质量灵敏度的理论与实验验证

针对声表面波传感器在生物检测中的性能评价与优化,提出一种快捷验证适用于生物传感器的声表面波器件质量负载灵敏度的实时检测方法.首先基于二维近似假设和周期性边界条件,建立了以石英为压电基底材料、SiO2为波导层的Love波传感器的三维有限元分析模型,从理论上验证了波导层对Love波传感器灵敏度的影响.在实验上,通过MEMS...     

拓扑石墨烯电极分子器件输运特性

利用密度泛函理论结合非平衡格林函数方法,研究了不同拓扑能带结构的石墨烯电极分子器件输运特性.结果表明器件导通电压与电极禁带宽度正相关,同时器件在输运过程中表现出负微分电阻特性,峰谷电流比可达2697.分析认为器件导通源自于偏压升高过程中两电极能带匹配.器件负微分电阻特性源自于偏压升高过程中两电极能带交错.散射态分析表明,能带匹配后散射态分布较为离域,有利于电子通过器件.能带交错后散射态局域于电极处,表明电子输运受到抑制.     

基于石墨烯电极的Co-Salophene分子器件的自旋输运

采用基于非平衡格林函数结合第一性原理的密度泛函理论的计算方法,研究了基于锯齿型石墨纳米带电极的Co-Salophene分子器件的自旋极化输运性质.计算结果表明,当左右电极为平行自旋结构时,自旋向上的电流明显大于自旋向下的电流,自旋向下的电流在[-1V,1V]偏压下接近零,分子器件表现出优异的自旋过滤效应.与此同时,在自旋向上电流中发现负微分电阻效应.当左右电极为反平行自旋结构时,器件表现出双自旋过滤和双自旋分子整流效应.除此之外,整个分子器件还表现出较高的巨磁阻效应.通过分析器件的自旋极化透射谱、局域态密度、电极的能带结构和分子自洽投影哈密顿量,详细解释该分子器件表现出众多特性的内在机理.研究结果对设计多功能分子器件具有重要的借鉴意义.     

电极肖特基接触对有机光敏晶体管性能的影响

有机光敏晶体管是一种在有机场效应管结构中引入光控“栅极”的新型光探测器件,其光灵敏度、光响应度性能参数与源/漏电极和有源层的接触情况关系密切。本文通过真空蒸发法分别制备了采用金电极和铝电极的单层并五苯及酞菁铜有机光敏晶体管。研究了它们在黑暗和光照条件下的输出及转移特性。结果表明,高迁移率的并五苯有源层更适合搭配接触特性较好的金电极,该器件具有和铝电极器件相同高水平的光灵敏度~3×104,但其光响应度是铝电极器件的13倍;而低迁移率的酞菁铜薄膜较适合搭配能够和有源层形成肖特基接触的铝电极,有利于抑制暗电流、增强激子解离效率、提高光电流,进一步使器件在获得和金电极器件同数量级光响应度的同时,其光灵敏度是金电极器件的102倍。本文对光照下电极/有源层肖特基接触的能带变化做了理论分析,总结归纳了有机光敏晶体管电极材料和有源层材料的初步筛选规律。     

新型液晶光学相控阵的特性研究

将液晶作为平板光波导的上包层,构建了液晶光学相控阵器件.根据Frank-Oseen液晶连续体弹性形变理论与光栅衍射理论,研究分析了基于这种新型结构下液晶光学相控阵的传输特性,输出衍射特性和其它性能特性.研究结果表明,器件的传输电控相位延迟可以实现更大的光程差;阵列电极周期数目、电极宽度、电极间隔宽度等结构参量对器件的输出衍射光束的光强分布和半峰值全宽度影响很大,同时光束扫描的可行性得到论证;器件的响应时间提高了一个数量级,且其色散性能获得改善.为以后研制新型液晶光学相控阵提供了理论基础与技术设计依据.     

基于剪应力检测的石英微结构及其陀螺效应研究

为了简化石英陀螺结构侧壁上的电极图形,设计了一种基于剪应力检测Coriolis力的新型石英微结构.通过对剪应力检测方案的分析,微结构侧壁电极的极性单一,采用锥度为15°的锥形梁结构作为敏感梁的设计可以增大敏感梁的检测灵敏度.通过各项异性湿法腐蚀z切石英片的方法制造了微结构样件.测试表明样件的驱动频率约为5.6kHz,大气下的品质因子在5000以上.输出信号频谱的谱线存在Coriolis力信号,验证了设计思想的正确性。     

Au电极连接富勒烯C32分子的电子结构与传输特性

采用基于密度泛函理论(DFT)和非平衡格林函数(NEGF)的第一性原理方法对富勒烯C₃₂分子及在C₃₂分子的距离最远的两个碳原子处连接Au(1,1,1)电极的分子器件进行了电子结构和电子输运性质的研究.考虑到中间分子与Au电极间距离变化的情况,通过计算得出了在不同距离下分子器件的电子传输谱和I-V特性,分析了各器件的电子结构和电子输运特性产生的原因,并分析了电极与中间分子的连接距离及门电压对分子器件电子输运的影响.得出了电极与所连接的中间分子之     

垂直多结光伏型集成硅X射线探测器的实现和实验

介绍垂直多结器件的结构,给出了热迁移制结的工艺条件和结果;介绍了处理器件电极引线的隔离线方法,解决了经过热迁移掺杂后光刻电极套不准的难题,解决了把所有P型区域连接起来的问题,达到了敏感区金属零遮挡的目的.描述了利用展宽电极尺度的方法实现多单元器件的集成;给出了X光强与光电流电压之间的数学模型和几个重要参数,介绍了器件输出电压与X光强度之间的测量关系,理论与实际情况符合得非常好.最后对测量数据做了分析,证明器件有足够的灵敏度和分辨率.     

干涉型光纤水听器伪工作点控制检测方法

提出了一种用于干涉型光纤水听器信号检测的伪工作点控制方法.为了验证该方法的可行性,搭建了干涉型光纤水听器声压灵敏度测量系统,编写了实时信号采集和处理程序,对某一光纤水听器进行了测量.在频带20 Hz~2.5 kHz上,该光纤水听器的声压灵敏度为－156.5 dB(0 dB=1 rad/μPa),频响波动<±0.8 dB,与采用PGC调制解调方法测量的结果基本一致.由于传感部分不含有源器件,该方法实现了无源检测.另外,它还具有解调算法简单、检测频带宽等优点.     

非对称结构对黑磷烯器件电子输运的影响

利用不同宽度的锯齿型黑磷烯纳米带构建了非对称结构的纳米器件.第一性原理计算结果表明,非对称结构器件I-V曲线展现表现出整流效应,最大整流比达到1.01×10~6.器件的不同非对称结构导致了不同整流行为.我们通过传输谱和透射本征态讨论得到,器件中心区域和电极的耦合变化导致了本征态的变化,从而产生不同的电子输运性质.结果为基于黑磷烯二维材料异质结整流器件的设计提供了一种可行性方案.     

双平衡式探测在激光测速仪中的应用研究

为了增大激光多普勒测速仪的测量距离,设计了基于马赫-曾德尔环形结构的双平衡式探测接收系统来提高灵敏度。基于平衡探测光电流的表达式,推导了平衡探测系统信噪比的表达式并对相关因素进行仿真实验。仿真结果表明:在相同光信号输入条件下,当两个探测器的量子效率比值在(0.236,1)之间时,平衡探测系统的信噪比高于普通相干探测系统的信噪比,并且当探测器量子效率相等时,信噪比最大。最后通过实验验证量子系数的比值对信噪比的影响。,     

Probability density function of noise statistics for optically pre-amplified DPSK receivers with optical Mach-Zehnder interferometer demodulation

We present explicitly semi-analytical probability density functions (pdf’s) of noise statistics in DPSK receivers with Mach-Zehnder interferometer (MZI) demodulation with considering the phase noise for the first time. Error performance of DPSK receivers with MZI demodulation is evaluated by using the calculated pdf’s. It is found that DPSK receivers with MZI demodulation and balanced detection are less sensitive to phase noise impact than those with the single-port detection to some extent. Moreover, it is found that ASE-ASE beat noise induced pdf difference in balanced detection compared to single-port detection may result in ∼3 dB improvement in receiver sensitivity mainly depending on optical filtering, ASE-amplified spontaneous emission. Therefore, the measured receiver sensitivity improvement by using balanced detection consist of the improvements due to signal energy difference and ASE-ASE beat noise induced pdf difference compared to single-port detection.     

Polarization-based balanced heterodyne detection method in a Sagnac interferometer for precision phase measurement

We describe a balanced heterodyne detection method for a Sagnac interferometer that uses a polarization-dependent beam splitter. The signal and the local oscillator are orthogonally polarized components of a single laser beam, permitting the detection of the signal by subtraction of two photocurrents produced in appropriate polarization projections. Using this scheme, we experimentally demonstrate a phase measurement with a sensitivity of 9x10(-10) rad/ radicalHz. The measurement is robust in the presence of laser frequency noise, as a result of preserving the common-path nature of the Sagnac interferometer, and of laser-amplitude noise, as a result of balanced detection.     

基于TDLAS平衡差分技术的CO气体检测

利用可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)结合平衡差分探测技术测量了1.578 μm附近的CO气体3-0带P(4)跃迁在不同压强和不同浓度下的吸收光谱信号。由于平衡差分探测方法可以有效地抑制激光光强波动、温度漂移和机械振动等共模噪声,从而提高了光谱探测灵敏度。通过与直接吸收信号相比,平衡差分的信噪比提高了3.4倍,探测极限为87 ppmv。测量了浓度为1%压强为40,55,70和85 Torr时的CO气体,结果显示在70 Torr时其光谱信号最强。并且,利用直接吸收和平衡差分技术测量了不同浓度的CO气体在总压强在70 Torr时的光谱信号,发现平衡差分技术光谱强度与浓度的关系线性度符合较好,其测量误差小于5%。为了进一步验证系统的稳定性,连续采集了324 s的光谱信号,最后通过Allan方差分析,发现本实验系统的最佳探测时间为38 s,探测极限为47.8 ppmv。     

1.55 μm相干激光测风雷达平衡式探测接收实验

研究了用于相干激光测风雷达信号接收的平衡式探测接收技术.推导出了平衡式相干探测过程的数学模型和信噪比表达式,并通过仿真软件对该模型进行了模拟仿真.在同等输入条件下,当平衡式相干探测系统的最佳分束比范围在[0.293,0.707]时,其信噪比比普通相干探测的信噪比高.此外,平衡式探测接收还具有判断风向的功能,最后通过实验验证了仿真结果.     

光学相干层析系统噪音分析(Ⅰ)——理论与计算

为了提高光学相干层析系统的性能,本文主要从理论上分析研究光学相干层析系统噪音和灵敏度的相关计算原理.比较了无杂散光的理想情况与非理想情况下,平衡探测与非平衡探测光学相干层析系统的噪音特性,并给出了相应计算公式,为设计和研制光学相干层析系统提供一个较为系统的理论分析依据.     

Noise statistics in optically preamplified differential phase-shift keying receivers with Mach-Zehnder interferometer demodulation

We report an analysis of the noise statistics for an optically preamplified differential phase-shift keying (DPSK) receiver with balanced and single-port detections. It is found that identical signal-amplified spontaneous emission beating noise exists for bits 1 and 0 in DPSK balanced detection. It is also revealed that the bit error ratio (BER) of a DPSK receiver with balanced detection has no direct relation to the conventional Q factor. Moreover, an analytic BER expression for the DPSK balanced detection receiver is presented.     

平衡零拍测量对连续变量量子密钥分配的影响

与单光子量子密钥分配采用单光子探测器不同，连续变量量子密钥分配采用平衡零拍测量技术.分析了由于参考光的真空噪声、分束器的透射率和反射率不相等引入的平衡零拍测量误差，以及平衡零拍测量探测器的电子噪声对连续变量量子密钥传输的最大安全距离的限制，给出了平衡零拍测量的探测噪声、电子噪声和密钥量之间的定量表达式.     

Optimal interferometer designs for optical coherence tomography

We introduce a family of power-conserving fiber-optic interferometer designs for low-coherence reflectometry that use optical circulators, unbalanced couplers, and (or) balanced heterodyne detection. Simple design equations for optimization of the signal-to-noise ratio of the interferometers are expressed in terms of relevant signal and noise sources and measurable system parameters. We use the equations to evaluate the expected performance of the new configurations compared with that of the standard Michelson interferometer that is commonly used in optical coherence tomography (OCT) systems. The analysis indicates that improved sensitivity is expected for all the new interferometer designs, compared with the sensitivity of the standard OCT interferometer, under high-speed imaging conditions.     

Near shot noise detection of oxygen in the A-band with vertical-cavity surface-emitting lasers

A dual-beam laser absorption spectrometer with balanced detection for high sensitivity detection of oxygen via the A-band at 760 nm is described. The 2×2 vertical-cavity surface-emitting laser arrays used for this set-up are characterized by their wavelength tuning behavior with temperature and current, amplitude modulation, side-mode suppression ratio and polarization contrast. The spectrometer performance is determined over time periods of up to 10 h using the variation in the differential absorption between two beam paths. With the R11R11 line at STP, 670 μW laser power and 200 mm-long absorption cells, we realized an excellent linearity (R=0.9999) and over a 5-min interval a record sensitivity for VCSEL-based spectrometers of 35 ppmV, corresponding to an optical density (O.D.) of 7×10^-7. For this specific set-up, this sensitivity is only a factor of 2.7 above the shot noise limit, giving us a normalized detection limit of 7.6 ppmV·m·. Over a 10-h interval we achieved a standard deviation of 65 ppmV. Received: 26 July 2000 / Revised version: 1 November 2000 / Published online: 6 December 2000