淺探量子點紅外探測器在空間光電系統中的應用

孫丙先 楊柳

摘 要 隨著科學技術的發展，量子點紅外探測器在空間光電系統中的應用日益增多。基于此，本文將針對量子點紅外探測器進行分析，進而從激光雷達系統、空間光通信、空間成像系統等三個方面來看量子點紅外探測器在空間光電系統中的應用，希望可以加深人們的認識。

關鍵詞 量子點；紅外探測器；空間光電系統；激光雷達系統

引言

現階段，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中應用也還不夠科學，而相關的理論研究也還不夠科學，所以本文針對量子點紅外探測器在空間光電系統中應用的研究分析是很有現實意義的。

1 量子點紅外探測器

量子點探測器的發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摻雜層。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，當量子點紅外探測器受到光場輻射就會在其導帶上產生躍遷，從而產生光電離效應以及自由電子。當電子注入發射極時，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有紅外輻射時，量子點就會通過光電離效應就會使得相關的電子向收集極，從而達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便捷、器件成本低、工藝較簡單、有效載流子壽命長、響應率、靈敏度高、暗電流更低、調諧能級間隔參數多、抗輻射能力強等優勢以及特點。在空間環境中，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境的要求，所以說量子點紅外探測器在空間光電系統中的應用比較廣泛[1]。

2 量子點紅外探測器在空間光電系統中的應用

2.1 從激光雷達系統方面來看

激光雷達系統是以激光的形式進行目標物體相關屬性的探測的，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，激光雷達系統實現了光機電的一體化。利用激光雷達系統進行目標識別或是遠程距離探測的過程中，其利用透射性較強的紅外激光與紅外光電探測器進行一系列的光電信號轉換。通常情況下，激光雷達系統在進行信號的探測以及捕捉的過程中還會應用到單管探測器或是焦平面陣列成像探測技術來作為支撐。隨著激光雷達系統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。具有紅外波段響應性能強、響應波段選擇便捷、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度衰減、惡劣環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可以在很大程度上滿足空間光通信的要求。現階段，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、系統輕、抗干擾能力強、保密性等優勢，具有非常廣闊的發展前景。光電探測器在激光光源子系統應用的過程中，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。現階段，空間激光通信宜采用1550nm波長技術，并進行10?m激光技術的普遍開發應用。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，促進通信距離的增長，還需要進行空間器件技術的一系列考慮，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，光電探測器的應用也需要滿足設計的數據率量級、長距離的穩定以及通信可靠性的要求，與此同時，還可以運用物理鏈路通信效率的改變來降低系統的相關能耗、質量等屬性，降低誤碼率，從而促進運用效率的提升。而要想進一步提高應用效果，還需要滿足1ns—10ps范圍的探測器要求響應時間、10-8—10-9W的探測靈敏度、工作波長波段等。

2.3 從空間成像系統方面來看

現階段，為了實現對目標物成像或者信號探測、跟蹤通常會運用到光電圖像傳感器技術。而為了滿足高響應率、高帶寬、快速響應的要求，通常會進行PIN結構量子點探測器的選擇。對于PIN結構量子點探測器來說，材料以Ge/Si為主，波段在1.3—1.55?m范圍內。而要想降低成本，提高集成度以及電子信號處理速度，還會進行CMOS結構的量子點探測器的應用，并且運用不同的材料來提升該探測器的數據帶寬以及靈敏度。例如，Si/Ge量子點CMOS結構。而為了在增強數據傳輸的同時，實現遠距離光通信，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中應用的過程中，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的成像有著重要的推動作用。經研究發展，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，還可以進行偏壓的調節響應。通常情況下，運用量子點紅外探測器成像需要滿足暗電流、探測靈敏度、響應頻譜等性能參數的要求，從而實現全天候的實時、精確以及多波段的探測任務。現階段的紅外焦平面陣列技術大多已經可以達到在空間光電系統中應用的標準。

3 結束語

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

參考文獻

[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].紅外與毫米波學報，2017，36（02）：191-195，201.