光电式接近开关

关键词： 折射率 生物量 反射光 能量

光电式接近开关（精选三篇）

光电式接近开关 篇1

随着电子装备集成度和工作频率的迅速提高,传统电互联方式的寄生电容、延迟时间和信号串扰等寄生效应问题变得十分突出;同时,由于布线密度和信号频率的不断提高,铜导线连接的电气互联不可避免地出现了信号延迟和电磁兼容等问题,很难满足传输需求,因此亟需一种新的互联方式来弥补纯电气互联存在的不足[1,2,3]。鉴于光传输具有频率高、抗电磁干扰等优点,在纯电气互联的PCB(印制电路板)中引入光互联,将光与电整合,可以有效解决纯电气互联的电子传输“瓶颈”问题,光电互联技术应运而生。

埋入光纤的光电基板是用光纤来代替金属信号传输线,在PCB内埋入光纤来互联高速芯片,解决高速传输“瓶颈”[4]。光纤埋入式光电互联技术的优点在于:在基板上引入光纤配线,具有更高的光传输线路布线密度、更高的数据传输速率、更大的信息存储量和更低的传输损耗,同时还实现了光/电转换元件等的自动化安装。在军事需求非常迫切的背景下,在光电基板作为未来互联载体发展方向的客观事实下,以及在光电基板光纤埋入技术还缺乏相关研究的前提下,开展光电基板埋入光纤相关关键技术和光纤埋入式光电互联技术的研究刻不容缓[5,6,7]。

1 光电互联整体方案设计

光纤埋入式光电互联整体方案包含一个内埋光纤的光电多层基板和包含有光电发射芯片组、光电接收芯片组的两个光电芯片载板,采用SMA-SMP和SMA-SMA射频同轴连接器以及高速电缆组件实现电气连接,24端口差分信号输入,24端口输出。光电基板原理设计图如图1所示。差分信号从输入端经过SMA-SMP转接头进入光电互联基板,经过以VCSEL(垂直腔表面发射激光二极管)阵列为核心的电/光转换芯片载板将电信号转换成光信号,光信号通过内埋光纤的基板传输到另一端,再经过以PD(激光探测器)阵列为核心的光/电转换芯片载板将光信号还原成电信号输出。光纤埋入式光电互联基板结构设计图如图2所示。

2 光纤埋入关键技术研究

光纤埋入式光电互联基板的关键技术在于光电多层基板内埋光纤的先进制造技术,内埋光纤的光电多层基板的设计是在FR-4板上刻槽放置光纤。作为导光层,使用半固化片与其他导电层粘接固化。具体步骤如下:刻蚀U型槽,放置涂覆光纤,填充环氧树脂填充胶固化光纤,PCB层压。光电基板制造选用波长为850nm、直径为125μm的多模光纤作为输入输出光纤。我们选择光学树脂作为光纤位置固定材料,采用紫外光曝光固化光学树脂。

图3所示为在U型槽内埋入1×12光纤的多层PCB截面结构示意图(图中仅显示了对称结构的一半)。内埋光纤的光电多层基板板件为6层板,成品板总厚度为4.03 mm,由3个芯板层压而成。其中第1和第2层走高速信号,我们在加工制造之前针对填充胶的匹配性进行了设计仿真,并根据仿真结果对光纤刻槽深度和间距进行优化,然后完成配板、配置填充胶、刻槽及放置光纤的过程。配板及光纤放置过程如图4所示。

制作光电多层基板时,要经过内层蚀刻、铣槽、棕化、配板放置光纤、层压、铣边、钻孔、电镀、外层碱蚀、阻焊、固化、外形加工和电测试等工艺流程,制作成的光电多层基板初样如图5所示。加工过程中基板层压温度和压力曲线图如图6所示。

我们对多层基板制作成品进行侧剖,然后采用3D影像测量仪对埋入光纤精度进行了测量,结果表明各项埋入指标均达到了高精度的加工要求,这主要是因为我们采用高精度的开槽设备,大大降低了U型槽的几何尺寸与实际设计要求的误差,然后采用整平设备和高精度贴装设备将光纤放置到U型槽内,大大提高了埋入精度。

3 光纤反射截面的研制

由于光电多层基板内的光传输路径是沿水平方向的,而光电处理芯片组在垂直方向发射/接收光信号,因此我们需要设计制作一个光路反射截面:即45°光纤反射截面,这是完成光路转换的核心器件。我们采用将光纤阵列研磨成45°反射镜实现光信号90°转角的方法实现光路转换,该器件具有体积小、可靠性高、耦合效率高、通道均匀性好、使用方便并能在宽温环境下稳定工作等特点。光纤反射截面的工作原理如图7所示。

45°光纤反射截面的制作实物如图8所示,它体积小巧,适合高速率、高密度的并行光传输领域。其中光纤和V槽采用石英材质,并采用宽温胶水进行粘接,整个器件内没有塑料等不耐老化的材料,因而适用温度范围较宽,工作寿命较长。此外,由于采用了精密光学研磨技术,端面x、y和z轴方向的角度均易保证,因此各通道的均匀性都较好。

4 光电芯片载板的研制

光电芯片载板的功能是贴装光/电转换芯片及其驱动芯片,实现光/电转换功能。光电芯片载板共有两块:一块是基于型号为IPVD的电/光转换芯片组的发射端光电载板,另一块是基于型号为IPTA的光/电转换芯片组的接收端光电载板。IPVD是实现光发射功能的核心芯片,它包含一个控制芯片、一个驱动芯片,另加一个VCSEL,选取12路发射通道;IPTA是实现光接收功能的核心芯片,芯片组成与IPVD类似。通过电路布局布线,加工出来的载板贴装上芯片及器件。

完成贴片后的光电载板必须进行光电耦合才能具有光传输功能。光电耦合是用转折棱镜的内部空槽将IPVD和VCSEL的结构覆盖,将VCSEL的出光口对准转折棱镜的入光口。我们采用VCSEL发射激光,通过将端面磨成45°FA(光纤阵列),对VC-SEL的发光光路方向进行90°的改变,在光纤的另外一端检测激光强度,使激光能够在水平方向与光纤进行耦合,从而减小耦合难度。光电耦合主要以耦合功率和传输损耗作为判断耦合是否成功的标准,影响VCSEL与光纤的耦合效率的主要因素包括45°FA加工误差、VCSEL与FA下表面平行度误差和VCSEL与光纤的垂直工作距离误差。光电耦合原理如图9所示。

加工完成的基于IPVD的发射端光电芯片载板和基于IPTA的接收端光电芯片载板实物图如图10所示。

5 光纤埋入式光电互联装配技术研究

光纤埋入式光电互联基板由一个内埋光纤的光电多层基板和两个光电芯片载板组成,采用SMA-SMP转接头和SMA-SMA高速电缆组件实现电气连接,24端口差分信号输入,24端口输出。基板整体装配图及制作实物分别如图11和图12所示。

6 结束语

完成样件制作后,我们搭建了光电基板测试平台,采用误码仪发送伪随机码,向光电板输入10Gbit/s高速差分信号,经电/光/电传输链路后,输出端用示波器接收实时信号,并对信号进行眼图、抖动和误码分析,结果表明,输出信号清晰完整,信号速率达到10Gbit/s,完全满足信号传输要求。

摘要：随着电子装备集成度和工作频率的迅速提高,以及布线密度和信号频率的不断提高,铜导线连接的电气互联不可避免地出现了信号延迟和电磁兼容等问题。为了满足高频信号数据处理和传输的要求,鉴于光传输具有频率高、抗电磁干扰等优点,采用微细光纤结合传统基板制造技术,开展了光电基板布设技术、光电基板制作技术和光电信号传输检测技术的研究,重点突破了光纤埋入和光电耦合等关键技术,最终解决了基于埋入式光纤的光电基板制造难题。光纤埋入式光电互联技术能有效解决高频信号在传输处理过程中的电气互联“瓶颈”,保证新一代信息化装备的发展需求。

关键词：埋入光纤技术,光电耦合,抗电磁干扰

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光电式接近开关 篇2

研究表明,生物量浓度的变化会引起溶液的折射率变化,从而导致反射光能量的变化.从菲涅耳公式和折射定律可知,入射角与折射角的数值决定了反射率的大小,反射光能量与界面两边的介质的折射率有关,该文正是从这一物理现象和理论出发,将反射能量的大小与具有实用意义的生物量浓度测量联系起来,建立了一种新的生物量浓度测量方法.文章论述了传感器的`组成电路、设计原理、入射角的选择方法.并通过实验研究深入地讨论了在入射角小于和大于临界角两种情况下,对生物量浓度测量的影响、实验结果及理论分析表明;这种方法用于测量微生物液体浓度是可行的,具有生物量浓度在线测量准确、灵敏高、使用寿命长等优点.

作 者：赵明富 廖强 罗渝微 钟年丙 陈艳 ZHAO Ming-fu LIAO Qiang LUO Yu-wei ZHONG Nian-bing CHEN Yan 作者单位：赵明富,ZHAO Ming-fu(重庆大学,工程热物理研究所,重庆,400044;重庆工学院,电子信息与自动化学院,重庆,400050)

廖强,LIAO Qiang(重庆大学,工程热物理研究所,重庆,400044)

罗渝微,钟年丙,陈艳,LUO Yu-wei,ZHONG Nian-bing,CHEN Yan(重庆工学院,电子信息与自动化学院,重庆,400050)

透射式GaAs光电阴极研究 篇3

透射式GaAs光电阴极是第三、第四代微光像增强器的核心部件,由于该阴极具有负电子亲和势特性,故具有量子效率高、暗发射小、发射电子能量分布及角分布集中等优点,因此它被广泛应用。该阴极的使用使新一代微光夜视仪的视距提高了2~3倍,大大改善了夜间观察效果,在现代化战争中起着极其重要的作用。目前我国透射式GaAs光电阴极制作工艺还不成熟,开展透射式GaAs光电阴极制作技术研究,对推动我国微光夜视技术的进步具有重要意义。

1 实 验

1.1 透射式GaAs光电阴极部件制作

透射式GaAs光电阴极部件制作主要采取以下步骤:

(1)用MOCVD设备生长GaAs光电阴极外延材料。首先在GaAs衬底材料上生长一层GaAs缓冲层,然后生长阻挡层AlxGa1-xAs,并且使其Al质含量≥0.4,再在阻挡层上生长光电活性层GaAs,掺杂浓度为8×1018/cm3,最后在光电活性层上生长光窗层AlxGa1-xAs,其Al质含量≥0.5。

(2)在GaAs光电阴极材料光窗层上,采用PECVD方法生长增透膜Si3N4/SiO2,增透膜的厚度分别引用以下公式进行计算:

$\begin{array}{l}n{}_3=(n{}_{1}n{}_2){}^{1/2}(1)\\ d=(\lambda /4n{}_3)(2)\end{array}$

式中n1为光学玻璃的折射率,n2为AlxGa1-xAs的折射率,n3为增透膜折射率,d为增透膜厚度,λ为光电活性层GaAs响应敏感的波长。

(3)将制备好复合增透膜的GaAs光电阴极外延片与清洗干净的光学玻璃输入窗对位放入真空炉内,用加温加压的方法使它们粘接为一体。

(4)通过化学减薄工艺,将衬底和阻挡层剥离掉,露出GaAs光电活性层。

(5)应用磁控溅射方法,在GaAs光电活性层表面的边缘蒸镀上导通电极。至此透射式GaAs光电阴极部件制作完毕。制作好的部件结构如图1所示。

1.2 透射式GaAs光电阴极Cs、O激活

将GaAs光电阴极部件进行化学清洗,而后用冷、热去离子水冲洗,冲洗后迅速置入真空预载室,待真空度达到一定值时,将其转入超高真空系统中的加热位置。当超高真空系统的本底真空度达到设定值时,开始对GaAs光电阴极部件进行加热除气处理,温度为350~400 °C,除气时间>24 h。当GaAs光电阴极部件表面吸附气体排除到干净状态时,本底真空度达到5.6×10-8 Pa以上。在此超高真空环境中进行GaAs光电阴极表面热清洗,清洗效果较好,可获得洁净状态的GaAs阴极表面,这是提高GaAs阴极表面Cs、O激活效率、提高GaAs阴极光电灵敏度极其重要的先决条件。热清洗最高温度为630 °C,升温和降温时间累计为70 min。热清洗过程中有大量C、O、碳氢化合物和As气体放出,采用技术措施和手段,提高真空系统抽气能力,保持真空度不低于2.7×10-7 Pa。热清洗后,待GaAs阴极自然冷却到室温状态,此时真空度基本达到激活工艺的要求。激活时,用卤钨灯经衰减片衰减后照射到GaAs光电阴极,采用记录仪来精确控制Cs、O量的进或停,此记录仪能直观、及时和迅速观察到阴极光电流上升以及变化趋势,如图2所示。激活采取进Cs、进O交替轮回方式进行,经许多轮回的进Cs、进O后阴极光电流不再上升时,激活结束。

2 实验结果与分析

激活完毕的透射式GaAs光电阴极,经过一段时间的老炼工作后封管,阴极光电灵敏度达到1 400 μA/lm;用紫外~近红外光谱响应测量分析系统检测,阴极光谱响应范围从600~880 nm,如图3所示。

从图2曲线可以看到,初始几次进Cs、进O阶段,阴极光电流上升较快、幅度较大;第2阶段进Cs、进O,阴极光电流上升斜率发生改变,上升幅度逐渐变小;第3阶段进Cs、进O,阴极光电流只有微量上升,光电流上升曲线斜率趋于平缓;最后阶段阴极光电流呈现滞涨。这些变化现象的原因是[1,2]:初始几次进Cs、进O交替处理时,整个GaAs阴极表面完全裸露,无覆盖物,所以初始几次Cs、O交替处理时间较长,尤其是第一次,Cs-O与GaAs阴极表面相互作用敏化后,GaAs阴极表面的逸出功明显下降,因此阴极光电流迅速上升,当进行几个轮回的Cs、O交替处理之后,GaAs阴极表面覆盖了一薄层Cs-O偶极层,但不致密,有空隙,此后留给Cs、O交替处理的GaAs阴极表面空隙变小,因此阴极光电流上升幅度逐渐变小;随后再进Cs、进O交替处理的主要作用是Cs与O相互作用,使铯原子电离、体积变小,而且在GaAs阴极表面不断运动,重新组合,最终形成优化致密的双偶极层,此时GaAs阴极的光电发射也达到最大值。当GaAs阴极光电流达到峰值后,再进Cs、进O,阴极光电流就会呈现下降趋势,因为GaAs阴极表面的Cs-O双偶极层是强n型半导体薄膜,它的增厚会使GaAs阴极表面的耗尽层展宽,而耗尽层对光电子的散射作用又会使光电子损失能量,从而降低光电子逸出几率。

图3的光谱曲线反应出GaAs阴极对短波480~590 nm的响应很小,使GaAs阴极积分灵敏度损失了15%以上。原因有两方面:

(1)GaAs阴极材料的光窗层Al0.5Ga1-0.5As的Al质含量低,只有0.5。根据AlGaAs禁带宽度计算公式3计算:

$E{}_{\text{g}\text{A}\text{l}\text{G}\text{a}\text{A}\text{s}}=1.424+1.247x+1.147(x-0.45){}^2(3)$

式中x为Al质含量,将x=0.5代入公式(3),计算结果:Al0.5Ga1-0.5As光窗层的禁带宽度大约为2.076 eV,而600 nm以下波长的能量都大于2.07 eV,所以在Al0.5Ga1-0.5As的光窗层中对这些入射光都会有因吸收产生光电子的现象。但是这些光电子对GaAs光电阴极产生的光电流没有贡献。因为它们大多数都不能穿过AlxGa1-xAs光窗层与GaAs光电活性层之间的界面势垒,只有很少的一些能量较高的电子方能穿过界面势垒,导致短波长入射光的损失。

(2)为了阻挡GaAs阴极外延片与光学玻璃面板热压封接时,因高温而导致高浓度掺杂的GaAs光电活性层中的杂质向光窗层Al0.5Ga1-0.5As扩散,对GaAs阴极材料的光窗层Al0.5Ga1-0.5As进行了掺杂,而光窗层中的杂质对入射光有吸收作用,这同样导致短波入射光的损失。

理论上负电子亲和势GaAs阴极对可见光的响应特性也即光谱响应曲线从400~900 nm应该是平坦的[3]。但是我们制作的GaAs阴极的光谱响应曲线,却表现出短波响应和长波响应的光电流数值都比较小。在600~650 nm谱区短波响应光电流之所以小,原因是GaAs光电活性层对短波光子的吸收系数a值较大,短波光子在入射的很短距离内就被吸收了,由于短波光子吸收区靠近GaAs光电阴极后界面,而后界面又存在着少子复合中心,使被激发的光电子有一部分被复合掉了;而在400~460 nm光谱区有小的光电流响应,可能有这种情况发生所形成:该谱区短波光子能量较大,在光窗层中激发的光电子同样也具有较高的能量,它们当中只有少部分越过了界面势垒,进入GaAs光电活性层参与光电发射。长波响应光电流小,原因是GaAs阴极材料质量欠佳,存在较多的位错和缺陷,它们在GaAs光电活性层的禁带中形成复合中心,将一部分长波光子激发的光电子复合掉了。880 nm光谱区应该是GaAs光电阴极的峰值响应光谱,而我们制作的GaAs阴极的光谱响应曲线显示,在880 nm处光电流下降严重,这说明GaAs阴极材料的光电性能较差,这与外延材料荧光参数测试仪检测的结果一致。

3 讨 论

从光谱响应曲线分析,要提高透射式GaAs光电阴极的光电灵敏度,需从多方面因素综合考虑来改进:

(1)优化透射式GaAs阴极材料设计。一考虑增加GaAs阴极材料光窗层AlxGa1-xAs的Al组份,由公式(3)计算,Al组份≥0.7时,光窗层AlxGa1-xAs的禁带宽度可以扩展为2.368 eV以上,这样500 nm~600 nm的入射光子就能穿过光窗层,进入GaAs光电活性层并被吸收,从而产生光电子逸出,提高光电灵敏度;二采用GaAs阴极材料光窗层不掺杂的方式。光窗层掺杂,客观上存在杂质对入射光的吸收[4],而产生的光电子不能越过后界面势垒,对GaAs阴极光电灵敏度没有贡献,光电转换效率低。光窗层Al Ga1-xAs不掺杂的另一个因素,是有利于高Al组份光窗层AlxGa1-xAs的晶体生长,可减少光窗层AlxGa1-xAs与光电活性层GaAs交界面的位错和缺陷。因为这些位错和缺陷形成后界面少子复合中心,直接影响GaAs阴极灵敏度的提高。

(2)提高GaAs阴极材料的光电性能。用荧光参数测试仪检测我们外延生长的GaAs阴极材料, 880 nm波长的荧光值较小,该波长是GaAs阴极材料的本征激发波长。分析检测结果:若GaAs阴极材料的荧光参数值不大,表明GaAs阴极材料位错及其它缺陷多或者存在有害杂质,在GaAs材料禁带中引入了能级,这些能级又形成了有害的少子复合中心。因此提高GaAs阴极材料晶体质量,是提高透射式GaAs光电阴极灵敏度最基础和最重要的工作。

(3)改进GaAs阴极材料与光学玻璃面板热压封接工艺。由于高温和压力的作用在GaAs阴极材料中产生应力,这种应力的释放导致GaAs阴极材料的晶格排列受损,尤其是在光窗层AlxGa1-xAs与光电活性层GaAs交界面处,因为此处是突变异质结构,光窗层AlxGa1-xAs含Al组份高,又有1.5 μm以上的厚度,晶格失配率本身较大,再加上热压封接造成的应力会在此处释放,导致此处形成许多少子复合中心,使GaAs阴极材料的光电性能降低。荧光参数仪检测表明:GaAs阴极材料热压后的荧光参数值与未热压前相比,数值降低了15%以上。因此需进一步研究优化热压封接工艺,降低对GaAs阴极材料的损伤。

(4)提高热清洗效率,获取原子级洁净度的GaAs阴极表面。在制作GaAs光电阴极时,必须去除GaAs阴极表面的氧化物和沾污原子,获得原子级清洁且As稳定或者As富集的表面。这个问题对于获得显著NEA阴极是非常重要的。通过较好的热清洗手段就能达到这种状态。热清洗温度对GaAs阴极表面结构组成影响很大[5,6],处理不当,将对GaAs阴极表面造成不良影响。达不到表面As稳定且富集的状态,而且去除表面其它污染杂质的效果也不佳。许多资料显示,在较低的温度下通过延长净化时间,并不能达到去除C沾污、Ga氧化物的目的;在较高温度下净化GaAs阴极表面,虽然C沾污和Ga的氧化物去除了,但造成As过量蒸发,GaAs阴极表面处于Ga富集状态;实验证明:Ga富集状态的GaAs阴极表面,Cs、O激活光电灵敏度低且工作稳定性差,而As富集的GaAs阴极表面,Cs、O激活光电灵敏度高且工作稳定性好。已往的研究表明:热清洗温度约在630 °C的效果较好,既清除了有害杂质和氧化物,也不会造成GaAs阴极表面Ga富集状态。因为此温度为同组份蒸发温度,GaAs阴极表面以同样的分量蒸发,不破坏GaAs(100)面As富集状态。所以要精确控制热清洗工艺中的温度条件。

(5)优化和提升GaAs阴极表面Cs、O激活工艺技术。GaAs阴极制作中Cs、O激活是特别关键的环节。进Cs、进O量之比控制不好,阴极光电灵敏度就不能提高。实验证实:在GaAs阴极表面的Cs、O激活中,Cs/O比存在一个最佳值(约1.78)[7],只有适当的Cs/O比,才能在GaAs阴极表面形成最佳双偶极子排列结构。激活后,GaAs阴极的光电灵敏度最大,稳定性好。先前采用人眼观察GaAs阴极光电流变化和手工记录的方式做Cs、O激活工艺,这对进Cs、进O量之比的控制是比较困难的。因为数据零散,不直观,不容易分析总结和归纳。现采用记录仪做Cs、O激活工艺,可精确控制进Cs、进O量,它能直观和迅速观察到GaAs阴极光电流的上升变化率、及变化趋势,并完整记录下来。记录表作为重要资料,对其进行分析总结和归纳,这对研究提高Cs、O激活工艺技术水平有很大帮助。

4 结 论

从实验研究工作中认识到:要提高透射式GaAs阴极的光电灵敏度,关键应着手以下几方面的深入研究:(1)优化GaAs阴极材料的结构和参数设计; (2)提高GaAs阴极材料外延生长的晶体质量,使其有良好的光电性能; (3)提高透射式GaAs阴极部件的制作技术水平,降低热压封接温度和压力,减少对GaAs阴极材料的损伤;(4)提高GaAs阴极表面热清洗效率,获取洁净表面态,同时要考虑清洗处理后,GaAs阴极表面结构保持有序,使Cs原子能在GaAs阴极表面更加均匀和充分地吸附;(5)提高Cs、O激活技术水平。做好以上研究工作,GaAs阴极的光电灵敏度就能大大提高,工作稳定性就会更好。

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