淺探量子點紅外探測器在空間光電系統(tǒng)中的應(yīng)用

孫丙先 楊柳

摘 要 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，量子點紅外探測器在空間光電系統(tǒng)中的應(yīng)用日益增多?；诖?，本文將針對量子點紅外探測器進(jìn)行分析，進(jìn)而從激光雷達(dá)系統(tǒng)、空間光通信、空間成像系統(tǒng)等三個方面來看量子點紅外探測器在空間光電系統(tǒng)中的應(yīng)用，希望可以加深人們的認(rèn)識。

關(guān)鍵詞 量子點；紅外探測器；空間光電系統(tǒng)；激光雷達(dá)系統(tǒng)

引言

現(xiàn)階段，人們對于量子點紅外探測器的了解程度還不夠，對其的空間光電系統(tǒng)中應(yīng)用也還不夠科學(xué)，而相關(guān)的理論研究也還不夠科學(xué)，所以本文針對量子點紅外探測器在空間光電系統(tǒng)中應(yīng)用的研究分析是很有現(xiàn)實意義的。

1 量子點紅外探測器

量子點探測器的發(fā)射極和收集極分別是最頂層和最底層，這兩個層面也是量子點紅外探測器的重?fù)诫s層。具體來說，量子點紅外探測器的工作原理如圖1所示，由圖中可以看出，當(dāng)量子點紅外探測器受到光場輻射就會在其導(dǎo)帶上產(chǎn)生躍遷，從而產(chǎn)生光電離效應(yīng)以及自由電子。當(dāng)電子注入發(fā)射極時，就會被量子點俘獲或者是直接漂移到量子點探測器的收集極。其中，在量子點探測器有源區(qū)有紅外輻射時，量子點就會通過光電離效應(yīng)就會使得相關(guān)的電子向收集極，從而達(dá)到形成光電流的目的。與其他的探測器相比，量子點紅外探測器具有垂直入射光響應(yīng)便捷、器件成本低、工藝較簡單、有效載流子壽命長、響應(yīng)率、靈敏度高、暗電流更低、調(diào)諧能級間隔參數(shù)多、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)勢以及特點。在空間環(huán)境中，對于探測器的溫變特性、輻射特性等方面的要求都比較高，而量子點紅外探測器可以在很大程度上滿足空間環(huán)境的要求，所以說量子點紅外探測器在空間光電系統(tǒng)中的應(yīng)用比較廣泛[1]。

2 量子點紅外探測器在空間光電系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 從激光雷達(dá)系統(tǒng)方面來看

激光雷達(dá)系統(tǒng)是以激光的形式進(jìn)行目標(biāo)物體相關(guān)屬性的探測的，其不僅可以明確物體的速度以及高度，對于物體的方向以及距離也有一定的探測能力，可以說，激光雷達(dá)系統(tǒng)實現(xiàn)了光機(jī)電的一體化。利用激光雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行目標(biāo)識別或是遠(yuǎn)程距離探測的過程中，其利用透射性較強(qiáng)的紅外激光與紅外光電探測器進(jìn)行一系列的光電信號轉(zhuǎn)換。通常情況下，激光雷達(dá)系統(tǒng)在進(jìn)行信號的探測以及捕捉的過程中還會應(yīng)用到單管探測器或是焦平面陣列成像探測技術(shù)來作為支撐。隨著激光雷達(dá)系統(tǒng)對光電探測器要求的日益提升，多波段探測的紅外探測器的樣式也逐漸增多，例如，Hg Cd Te紅外探測器、QWIP、銻化物基的type-II超晶格等。具有紅外波段響應(yīng)性能強(qiáng)、響應(yīng)波段選擇便捷、光波大氣層透過性好、工作溫度高的特點。

2.2 從空間光通信方面來看

通常情況下，激光通信會面臨長距離激光信號強(qiáng)度衰減、惡劣環(huán)境的溫度特性和抗輻射性能要求兩方面的問題，而量子點紅外探測技術(shù)可以在很大程度上滿足空間光通信的要求?，F(xiàn)階段，空間激光通信與地面的光纖光通信由于其信息容量大、傳輸速率高、天線小、系統(tǒng)輕、抗干擾能力強(qiáng)、保密性等優(yōu)勢，具有非常廣闊的發(fā)展前景。光電探測器在激光光源子系統(tǒng)應(yīng)用的過程中，光電探測器還需要滿足很多要求，才能通信光源有效性的提升?，F(xiàn)階段，空間激光通信宜采用1550nm波長技術(shù)，并進(jìn)行10?m激光技術(shù)的普遍開發(fā)應(yīng)用。激光鏈路中，可以使用800—1064nm的波段。通常情況下，在低軌或是髙軌與地面的激光鏈路通信中，通過長波段的使用，不僅可以有效地降低大氣的散射，促進(jìn)通信距離的增長，還需要進(jìn)行空間器件技術(shù)的一系列考慮，而著眼于未來來看，10?m波長將成為空間激光通信的主流波段。對于通信接收模塊來說，光電探測器的應(yīng)用也需要滿足設(shè)計的數(shù)據(jù)率量級、長距離的穩(wěn)定以及通信可靠性的要求，與此同時，還可以運(yùn)用物理鏈路通信效率的改變來降低系統(tǒng)的相關(guān)能耗、質(zhì)量等屬性，降低誤碼率，從而促進(jìn)運(yùn)用效率的提升。而要想進(jìn)一步提高應(yīng)用效果，還需要滿足1ns—10ps范圍的探測器要求響應(yīng)時間、10-8—10-9W的探測靈敏度、工作波長波段等。

2.3 從空間成像系統(tǒng)方面來看

現(xiàn)階段，為了實現(xiàn)對目標(biāo)物成像或者信號探測、跟蹤通常會運(yùn)用到光電圖像傳感器技術(shù)。而為了滿足高響應(yīng)率、高帶寬、快速響應(yīng)的要求，通常會進(jìn)行PIN結(jié)構(gòu)量子點探測器的選擇。對于PIN結(jié)構(gòu)量子點探測器來說，材料以Ge/Si為主，波段在1.3—1.55?m范圍內(nèi)。而要想降低成本，提高集成度以及電子信號處理速度，還會進(jìn)行CMOS結(jié)構(gòu)的量子點探測器的應(yīng)用，并且運(yùn)用不同的材料來提升該探測器的數(shù)據(jù)帶寬以及靈敏度。例如，Si/Ge量子點CMOS結(jié)構(gòu)。而為了在增強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離光通信，還會用到雪崩二極管量子點探測器，其不僅APD內(nèi)增益大，微弱光信號探測靈敏，還可以起到減小暗電流的作用。

與此同時，在量子點紅外探測器在空間光電系統(tǒng)中應(yīng)用的過程中，還會涉及陣列量子點紅外探測器，陣列量子點紅外探測器對于空間光電系統(tǒng)的成像有著重要的推動作用。經(jīng)研究發(fā)展，量子點阱探的暗電流更低且工作溫度更高，不僅可以滿足多波段的探測需求，還可以進(jìn)行偏壓的調(diào)節(jié)響應(yīng)。通常情況下，運(yùn)用量子點紅外探測器成像需要滿足暗電流、探測靈敏度、響應(yīng)頻譜等性能參數(shù)的要求，從而實現(xiàn)全天候的實時、精確以及多波段的探測任務(wù)?，F(xiàn)階段的紅外焦平面陣列技術(shù)大多已經(jīng)可以達(dá)到在空間光電系統(tǒng)中應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)束語

從實際出發(fā)，分析量子點紅外探測器，明確其在空間光電系統(tǒng)中的具體應(yīng)用，對量子點紅外探測器應(yīng)用效果的提升以及我國空間光電系統(tǒng)的發(fā)展都有著一定的推動作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 李世龍，甄紅樓，李夢瑤.一種可吸收垂直入射光的管狀量子阱紅外探測器[J].紅外與毫米波學(xué)報，2017，36（02）：191-195，201.