基于半导体开关皮秒脉冲发生器的研制

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摘要：本文对光导开光的原理、特性进行了分析。利用高压电源对储能电容充电，激光器在接到触发脉冲指令时，发出脉宽为2ns的光脉冲信号驱动光导开关，储能电容内存储的能量通过光导开关释放到取样电阻上，输出高压脉冲信号。通过对电路基本参数的仿真，得到了光导开关在2ns激光脉冲控制下，输出高压脉冲与控制光脉冲响应良好，上升时间为169ps，脉宽为2ns。

关键词：光导光導开关；皮秒；脉冲发生器

中图分类号：TN782文献标识码：A 文章编号：1007-9599 (2012) 11-0000-02

准确可靠的触发是脉冲功率技术研究的重要内容。随着脉冲功率技术的发展，触发源技术也日新月异，新型触发源不仅要求快导通前沿、高重复频率还要有高稳定度。上世纪70年代在线性和非线性两种模式下，它对控制光脉冲有很好的响应，几乎可以实现与光同步，它带领着脉冲功率触发技术走到了另一个时代。

一、光导开光

光导半导体开关（Photoconductive Semiconductor Switch，PCSS）是超快脉冲激光器和光电半导体相结合形成的新型器件，通过触发光对半导体材料电导率的控制实现开关的关断和导通。PCSS具有响应速度快（小于0.6ps），重复率高（GHz量级）、易于精确同步（触发晃动仅ps量级）、不易受电磁干扰（光电隔离）、耐高压、寄生电感电容小、结构简单灵活等优点。随着研究的不断深入，至今已能利用光导开光技术研制太赫兹脉冲发生器，结合fs激光触发，光导开光可以产生高功率皮秒脉冲和脉宽在ps量级的电磁辐射，拥有从接近直流到THz级的超宽频带，为超宽带雷达的实现提供了可能。

GaAs光电导开关是由脉冲激光器与半绝缘GaAs相结合形成的器件，如图1所示，基于内光电效应工作原理。

（一）光导开光结构

常见的光导开关结构有横向结构、平面结构和相对电极结构。根据光电导开关的偏置电场和触发光脉冲的入射方向关系可将开关分为横向开关和纵向开关两种基本结构，如图2所示。当触发光脉冲入射方向与开关偏置电场方向相互垂直时，为横向结构的光电导开关。当触发光脉冲入射方向与开关偏置电场方向相互平行时，为纵向结构的光电导开关。

横向光电导开关光作用区域面积大。无论光的吸收深度是几微米还是几百微米，所有光都被激活区吸收。在线性模式均匀光照条件下，开关的峰值电流、上升时间和脉宽仅仅依赖于触发光脉冲的幅值、脉宽、载流子复合时间和开关所处电路结构。横向光电导开关的缺点是在工作时，由于偏置电场穿通开关整个表面，从而使得开关的表面击穿场强远小于材料的本征击穿强度。开关常常会出现表面闪络或沿面放电等现象，从而大大限制了开关的耐压能力和功率容量。

纵向结构开关可以减少开关表面电场，从而提高开关的击穿电压。但这种开关的主要缺点是开关至少需要一个透明电极，而这种透明电极的制作工艺非常复杂。此外开关芯片的吸收深度对开关的瞬态特性有较大影响。

横向开关和纵向开关各有优缺点，具体选用哪一种结构的开关，要根据开关的具体应有来决定。由于横向光电导开关制作简单，有较大光照面积和电导通道，可以用较宽波长范围的光来触发，因而在制作大功率光电导开关时主要采用横向结构的开关。

（二）光导开关半导体材料

光导开关的发展与半导体材料技术的发展密切相关。在半导体材料的发展过程中，一般将以硅（Si）为代表的半导体材料称为第一代半导体材料；将以砷化镓（GaAs）为代表的化合物半导体称为第二代半导体材料：将以碳化硅（SiC）为代表的宽禁带化合物半导体称为第三代半导体材料。与之相对应，相继出现了Si光导开关、GaAs光导开关和SiC光导开关。

Si光导开关，由于Si禁带宽度窄，载流子迁移率低等特点不适合制作超快大功率光导开关；GaAs光导开关，虽然GaAs的大暗态电阻率和宽禁带有利于制作大功率器件，但由于GaAs热导率低、抗高辐射性能较差，运行过程中容易出现热奔和锁定效应，限制了GaAs光导开关窄高温、高重复速率、高功率和高辐射环境中的使用；SiC光导开关可以将触发光的能力大大降低，但其在高电压下容易击穿，在高重复频率下容易出现热击穿，且只能工作在线性模式下。

二、皮秒脉冲源

项目主要任务就是研制一个高稳定度快脉冲源装置，该装置的主要功能是：接到系统给出的触发指令后，打开电光开关，输出脉宽约为2ns的光脉冲，驱动光导开关输出高压脉冲信号。要求输出的高压脉冲信号前沿小于200ps，幅度为3～5kV，系统晃动时间不大于250ps。

本方案的基本工作原理如图3所示：利用高压电源对储能电容充电，充电完成后，激光器在接到触发脉冲指令时，发出脉宽为2ns的光脉冲信号驱动光导开关，储能电容内存储的能量通过光导开关释放到取样电阻上，输出高压脉冲信号。

本项目技术关键点主要在于两个方面：a.主脉冲波形的质量，包括主脉冲的峰值、脉宽、前后沿以及稳定性；b.触发脉冲至主脉冲1的时间间隔T1的稳定性。为了获得满足技术指标要求的主脉冲信号，主放电回路拟采用光导开关对贮能元件进行放电。由于光导开关具有高速导通和关断、高稳定性的特点，只要选择合适的基本回路参数可以确保获得高质量的满足指标要求的主脉冲信号。电路基本参数仿真机波形如图4、5、6所示。

三、结论

光导开关在2ns激光脉冲控制下，输出高压脉冲与控制光脉冲响应良好，上升时间169ps，脉宽2ns。利用光导开关设计的皮秒脉冲发生器可以在重复频率下工作，图7为75kHz下高压脉冲输出波形。

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[作者简介]

龙祖利（1975-），男，讲师，硕士，主要从事光纤通信、光电子等方面研究工作。

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