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基于硅基雪崩光电二极管中双光子吸收特性的红外光子探测研究

许广建  
【摘要】:硅基雪崩光电二极管(Si-APD)作为性能卓越,工艺成熟的半导体器件应用十分广泛。但受禁带宽度的限制,工作波长是局限在可见光波段,限制了其在红外光子探测领域的发展。然而,由于非线性光学的研究发展迅速,非线性光学效应被用来扩大Si-APD的工作波长范围并提高其在红外波段的探测效率。其中双光子吸收效应与频率上转换探测机制相比较,不需要特制的非线性晶体和复杂的光路系统,也不需要严苛的相位匹配条件和工作环境,所以利用Si-APD的双光子吸收效应实现红外光探测时可以有较宽的工作波长范围。因此双光子吸收效应在Si-APD探测微弱红外光的实现上具有很广阔的研究前景。双光子吸收是指介质中的载流子同时吸收两个光子后向更高能级跃迁的过程。在该过程中,由于强光场的作用,载流子几乎同时吸收两个光子,并且两个光子的能量之和要等于或大于介质的禁带宽度,使得介质中的载流子能够通过“虚态”,从价带顺利跃迁到导带,并通过载流子的运动产生光电流,之后光电流通过雪崩效应进行倍增,从而使得Si-APD成功实现对红外光子的探测。Si-APD中的双光子吸收效应研究也为宽带红外光子探测在光学取样、光梳激光测距、红外生物图像等不同应用领域提供了新的思路。本论文对利用Si-APD中的双光子吸收特性实现宽带红外光子探测进行了研究。主要工作如下:(1)实验评估了简并与非简并双光子吸收在Si-APD红外光子探测过程中的具体贡献。通过改变两束不同波长的红外脉冲激光同时照射到Si-APD上的光子流密度,并记录Si-APD的响应计数,最后分析数据得到Si-APD的简并双光子吸收在1800 nm和1550 nm处的平均量子探测效率分别约为3.3×10-16 counts·pulse/photon2,4.3×10-15 counts·pulse/photon2。Si-APD在 1550 nm和 1800 nm的非简并双光子吸收的平均量子探测效率为7.9× 10-16 counts·pulse/photon2。这项研究进一步加深了对Si-APD的红外响应认识,为红外量子探测器,红外自相关测量器等光子器件的发展提供了新的解决方案。(2)研究了 Si-APD在红外光子探测中非简并双光子吸收对其红外光子探测效果的增强作用。1700~1850 nm处的信号光能量低于硅材料的能量带隙,但是1550 nm处的高强度泵浦激光场可以补充这种能量差。当采用1550 nm激光作为泵浦光,泵浦激光功率为12.42μW时,Si-APD对入射的1800 nm的信号光子呈线性强度响应,表明此时非简并双光子吸收在Si-APD进行红外光子探测中占主导地位。当入射信号光子数为0.14×106 photons/pulse时,Si-APD对红外信号光子探测效果的增强因子为20。本实验提供了一种红外光子敏感探测的方法。这也为宽带红外光子探测在光学取样,全光开关等不同应用领域提供了新的思路。


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