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光导开关

发布时间:2009-08-27

  光导开关全称为光控光导半导体开关(Optically Controlled Photoconductive Semiconductor switches——PCSS),是近年来发展迅速的一种半导体光电子器件,它是利用超快脉冲激光器与光电导体(如GaAs,InP等)相结合形成的一种新型开关器件,其工作机制本质上是利用半导体的光电效应来调制半导体光电导材料的电导率。与传统开关相比,它具有结构简单、响应速度快、触发稳定、无触发抖动、动态范围大、热容量和热传导性高、寄生电感低、灵敏度高、光电隔离好等优点,加上其耐高压及大电流承载能力,使之不但在超高速电子学、大功率脉冲产生与整形领域中得到广泛应用,成为传统开关最有希翼的换代器件,而且在超宽带雷达、脉冲功率和高功率微波发生器、高速光探测器和调制器、光控微波和毫米波等领域也有着广泛的应用前景。自问世以来,一直为人们所关注。

  1972年,美国马里兰大学的Jayanamen和C. H. Lee在他们的实验中首次观察到当用超短激光脉冲触发光电导体时,光电导体具有皮秒量级的时间响应特性。1975年,Bell实验室的Auston首次用硅光电半导体在微带线上实现了电压脉冲开关、门控和取样门,发表了用皮秒级激光源产生千伏纳秒级电脉冲的光导开关论文,从此有关光导开关应用方面的工作大量地展开。1977年,Lee指出硅不能作高重复率开关用,并研制了可以在1 GHz重复率下工作的Cr:GaAs开关,这些开关用皮秒激光脉冲触发时,可用来开、关直流电压。1984年,Nunnally等人证实大尺寸的光电导开关能承受150 kV的高压,能产生100 kV、2kA的大电流,至此PCSS开始进入大功率应用领域,并倍受光电子学研究领域的关注。随后开发出金刚石,SiC,InP等性能优良的光导开关。1987年,Sandia实验室Loubriel等人在实验室中观察到GaAs、InP等III-V族化合物半导体PCSS’s中存在锁定效应(高倍增或非线性模式),这个实验证明了当PCSS’s的偏置电压和触发光能大到一定的数值时,在触发光能消失后,只要外部电路偏压仍然存在,PCSS仍保持导通状态;证实了大功率GaAs PCSS所需触发光能可降低三到五个数量级,从而可实现用LAD阵列代替YAG激光器,为PCSS的小型化、实用化、集成化提供了良好的理论及实验依据。把光导开关用于高功率微波系统,通过使用激光二极管阵列触发光导开关,可以把整个系统做成一个便于携带的固态化的小型器件,使器件能在更高功率和高重复率下工作,使得光导半导体开关的应用有了更广阔的应用前景。光导开关非线性工作模式的发现使GaAs光导开关的研究和应用进入了一个崭新的阶段。

  PCSS在军事上最重要的应用是用PCSS构建超宽带高分辨率冲击雷达。八十年代后期隐身飞机的出现,对雷达技术提出了新的挑战。特别是海湾战争和科索沃战争中隐身飞机的大显身手,在实战中显示出的卓越性能,使得反隐雷达马上成为军方关注的焦点和军事防御的迫切需要。而“反隐”最主要所需的其实是超宽带高分辨特性。因为隐形目标多采用吸波材料涂层构成,有光滑的轮廓,目的是减小雷达横截面积。这种用吸波材料构成的“隐形”目标一般只对很窄的波段适用。由于常规窄带雷达所发射的雷达波频带窄,特定的吸波材料即可大大减弱雷达回波,因此无法有效地探测雷达截面很小的隐形飞机。但任何吸波材料都不可能做到全频谱吸取。由于超宽带高分辨率冲击雷达发射的脉冲包含有丰富的频率,因此,在这种雷达面前,“隐形”目标的窄带吸波涂层就失去了作用。虽然开展对超宽带雷达技术的研究比隐形飞机的出现还要早,但研制出的成功系统却很少。最大的问题是如何实现高能量的快速转换,即在很短的时间内发射很高的能量。利用光导开关技术已经能够产生ps甚至是亚Ps的电磁辐射,从而获得从接近直流到几THz的超宽频带。为实现超宽带雷达提供了现实的条件。由PCSS构成的超宽带冲击雷达,获得B-1和F-117隐形飞机图象,这正是冲击雷达。

  自1985年以来,人们利用光导开关已经制造了一系列的冲击波发生器样品。1994年制造并交付空军使用的超宽带辐射阵列GEM II,是世界上能在空间中产生最高瞬时电场的可重复工作的高功率微波系统,其最大瞬时电场比SNOMAD V系统高30倍,而且尺寸、重量、造价都大大优于同类产品,它的输出功率峰值为1 GW、重复频率为10 kHz,中心频率为1 GHz,经天线增益后有效辐射功率达100 GW,并且通过计算机控制,可以在小于100μs时间内使波束转向±30o。充分显示了光导开关在几个最重要的领域如军事、脉冲功率、微波和瞬态电子学中的重要地位。

陈博源

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