浅探量子点红外探测器在空间光电系统中的应用

孙丙先 杨柳

摘 要 隨着科学技术的发展，量子点红外探测器在空间光电系统中的应用日益增多。基于此，本文将针对量子点红外探测器进行分析，进而从激光雷达系统、空间光通信、空间成像系统等三个方面来看量子点红外探测器在空间光电系统中的应用，希望可以加深人们的认识。

关键词 量子点；红外探测器；空间光电系统；激光雷达系统

引言

现阶段，人们对于量子点红外探测器的了解程度还不够，对其的空间光电系统中应用也还不够科学，而相关的理论研究也还不够科学，所以本文针对量子点红外探测器在空间光电系统中应用的研究分析是很有现实意义的。

1 量子点红外探测器

量子点探测器的发射极和收集极分别是最顶层和最底层，这两个层面也是量子点红外探测器的重掺杂层。具体来说，量子点红外探测器的工作原理如图1所示，由图中可以看出，当量子点红外探测器受到光场辐射就会在其导带上产生跃迁，从而产生光电离效应以及自由电子。当电子注入发射极时，就会被量子点俘获或者是直接漂移到量子点探测器的收集极。其中，在量子点探测器有源区有红外辐射时，量子点就会通过光电离效应就会使得相关的电子向收集极，从而达到形成光电流的目的。与其他的探测器相比，量子点红外探测器具有垂直入射光响应便捷、器件成本低、工艺较简单、有效载流子寿命长、响应率、灵敏度高、暗电流更低、调谐能级间隔参数多、抗辐射能力强等优势以及特点。在空间环境中，对于探测器的温变特性、辐射特性等方面的要求都比较高，而量子点红外探测器可以在很大程度上满足空间环境的要求，所以说量子点红外探测器在空间光电系统中的应用比较广泛[1]。

2 量子点红外探测器在空间光电系统中的应用

2.1 从激光雷达系统方面来看

激光雷达系统是以激光的形式进行目标物体相关属性的探测的，其不仅可以明确物体的速度以及高度，对于物体的方向以及距离也有一定的探测能力，可以说，激光雷达系统实现了光机电的一体化。利用激光雷达系统进行目标识别或是远程距离探测的过程中，其利用透射性较强的红外激光与红外光电探测器进行一系列的光电信号转换。通常情况下，激光雷达系统在进行信号的探测以及捕捉的过程中还会应用到单管探测器或是焦平面阵列成像探测技术来作为支撑。随着激光雷达系统对光电探测器要求的日益提升，多波段探测的红外探测器的样式也逐渐增多，例如，Hg Cd Te红外探测器、QWIP、锑化物基的type-II超晶格等。具有红外波段响应性能强、响应波段选择便捷、光波大气层透过性好、工作温度高的特点。

2.2 从空间光通信方面来看

通常情况下，激光通信会面临长距离激光信号强度衰减、恶劣环境的温度特性和抗辐射性能要求两方面的问题，而量子点红外探测技术可以在很大程度上满足空间光通信的要求。现阶段，空间激光通信与地面的光纤光通信由于其信息容量大、传输速率高、天线小、系统轻、抗干扰能力强、保密性等优势，具有非常广阔的发展前景。光电探测器在激光光源子系统应用的过程中，光电探测器还需要满足很多要求，才能通信光源有效性的提升。现阶段，空间激光通信宜采用1550nm波长技术，并进行10?m激光技术的普遍开发应用。激光链路中，可以使用800—1064nm的波段。通常情况下，在低轨或是髙轨与地面的激光链路通信中，通过长波段的使用，不仅可以有效地降低大气的散射，促进通信距离的增长，还需要进行空间器件技术的一系列考虑，而着眼于未来来看，10?m波长将成为空间激光通信的主流波段。对于通信接收模块来说，光电探测器的应用也需要满足设计的数据率量级、长距离的稳定以及通信可靠性的要求，与此同时，还可以运用物理链路通信效率的改变来降低系统的相关能耗、质量等属性，降低误码率，从而促进运用效率的提升。而要想进一步提高应用效果，还需要满足1ns—10ps范围的探测器要求响应时间、10-8—10-9W的探测灵敏度、工作波长波段等。

2.3 从空间成像系统方面来看

现阶段，为了实现对目标物成像或者信号探测、跟踪通常会运用到光电图像传感器技术。而为了满足高响应率、高带宽、快速响应的要求，通常会进行PIN结构量子点探测器的选择。对于PIN结构量子点探测器来说，材料以Ge/Si为主，波段在1.3—1.55?m范围内。而要想降低成本，提高集成度以及电子信号处理速度，还会进行CMOS结构的量子点探测器的应用，并且运用不同的材料来提升该探测器的数据带宽以及灵敏度。例如，Si/Ge量子点CMOS结构。而为了在增强数据传输的同时，实现远距离光通信，还会用到雪崩二极管量子点探测器，其不仅APD内增益大，微弱光信号探测灵敏，还可以起到减小暗电流的作用。

与此同时，在量子点红外探测器在空间光电系统中应用的过程中，还会涉及阵列量子点红外探测器，阵列量子点红外探测器对于空间光电系统的成像有着重要的推动作用。经研究发展，量子点阱探的暗电流更低且工作温度更高，不仅可以满足多波段的探测需求，还可以进行偏压的调节响应。通常情况下，运用量子点红外探测器成像需要满足暗电流、探测灵敏度、响应频谱等性能参数的要求，从而实现全天候的实时、精确以及多波段的探测任务。现阶段的红外焦平面阵列技术大多已经可以达到在空间光电系统中应用的标准。

3 结束语

从实际出发，分析量子点红外探测器，明确其在空间光电系统中的具体应用，对量子点红外探测器应用效果的提升以及我国空间光电系统的发展都有着一定的推动作用。

参考文献

[1] 李世龙，甄红楼，李梦瑶.一种可吸收垂直入射光的管状量子阱红外探测器[J].红外与毫米波学报，2017，36（02）：191-195，201.