不同激光能量涨落对GaAs光电导开关时间抖动的影响

桂淮濛，施 卫

(1．陕西工业职业技术学院信息工程学院，陕西咸阳 712000; 2．西安理工大学理学院，陕西西安 710048)

1 引 言

GaAs光电导开关(Photoconductive semiconductor switch，PCSS)是超快激光器与光电半导体相结合形成的一类新型器件［1］。GaAs PCSS具有快速的响应、光电隔离、高耐压、寄生电感电容小、抖动时间小、同步精度高等特性［2-3］，因此在超高速电子学及高功率超宽带脉冲产生领域等具有广阔的应用前景［4］。特别是当需要兼顾输出电脉冲的超快上升沿、超短脉宽、高重复频率、高功率、抗电磁干扰等方面时，光电导开关成为众多功率开关中的最优选择。相比于传统的高功率开关，GaAs PCSS具有极小的抖动时间［5-6］，因此已广泛地应用在条纹相机及精同步控制领域。条纹相机设计中，用于产生快前沿的半导体开关输出脉冲的速度和触发抖动决定了条纹相机的最大时间分辨率［7］。Liu等指出在使用GaAs PCSS为偏转板提供电压时，可使条纹相机的时间抖动值减小到30 fs，积分模式下的时间分辨率优于 590 fs［8］。

国内外学者已开展了一系列针对GaAs PCSS时间抖动特性的研究［9-11］。Gaudet等指出触发光的快速上升时间是获得低抖动的关键因素，充足的光脉冲能量以及激光准直也是至关重要的［12］。Shi等使用光纤分光的方法，将一束波长为1 053 nm、脉宽为500 ps的激光分成能量相等的两束，同时触发两路并联的间隙为3 mm的GaAs PCSS。在外加偏置电压为1 kV时，得到GaAs PCSS 的时间抖动为 14．41 ps［13］。激光使用过程中会带来输出能量的涨落，而能量的涨落对GaAs PCSS时间抖动的影响尚未有报道。本文通过触发激光能量涨落的改变对输出电脉冲幅值涨落影响的实验，及对开关导通过程中载流子输运过程的分析，研究了触发激光能量涨落对开关时间抖动的影响。该结果为进一步提高条纹相机的时间分辨率提供了有利的理论依据。

2 实 验

实验中使用横向结构GaAs PCSS，如图1所示。光电导开关的芯片材料选用的是半绝缘GaAs，其暗态电阻大于5×107Ω·cm，禁带宽度为1．43 eV，电子的迁移率大于5 000 cm2/(V·s)，载流子浓度为1014cm－3，载流子寿命为几个纳秒，芯片材料的相对介电常数为12．9，其本征击穿场强可达250 kV/cm。半绝缘砷化镓芯片为8．0 mm(宽) × 10．0 mm(长) × 0．6 mm(厚度)，开关芯片表面用多层透明有机硅凝胶做绝缘保护，防止强场下沿面闪络的发生，该透明硅胶对触发激光几乎不吸收。半绝缘GaAs PCSS电极采用刻蚀方法制作，通过优化设计来使电场更均匀，电极为135°圆角，尺寸为6．0 mm×3．0 mm，其圆角半径为1．1 mm。电极采用Au/Ge/Ni合金制作，与GaAs PCSS芯片材料形成欧姆接触。

图1 GaAs PCSS结构示意图Fig．1 Schematic diagram of GaAs PCSS

触发光能量涨落对电脉冲幅值涨落影响的测试电路如图2所示。高压直流电源正极连接阻值为15 MΩ的限流电阻对充电回路中的0．1 nF的电容器进行充电，电容正极连接GaAs PCSS输入端，开关的输出端通过50#特性阻抗匹配的传输线耦合入衰减器，然后由40 dB衰减器衰减信号后经传输线耦合到示波器进行测试。在GaAs PCSS触发时，用DET210A型PIN光电二极管实时监测触发光的时域波形。

图2 实验电路测试图Fig．2 Test circuit of GaAs PCSS

在外加偏置电压为2 kV时，使用激光波长为1 053 nm，脉宽为500 ps，平均能量分别为11．25，44．9，60．8$J触发 GaAs PCSS，在每一个特定的触发光能量下连续触发20次，记录每次触发光脉冲幅值和输出电脉冲的幅值。在不同的触发能量下，分别计算出触发光脉冲幅值和输出电脉冲幅值的平均值。当外加偏置电压为2 kV、激光能量为60．8$J时，输出电脉冲波形如图3所示(时间基点选为零，触发电平为电压分度格的50%)。

图3 偏置电压2．0 kV时输出的波形图Fig．3 Outputwaveform when the 2．0 kV bias voltage

3 结果与讨论

从图3可以看出，输出电脉冲波形与光脉冲波形形状相同，脉宽一致。当外加偏置电压相同、触发光能量改变时，光脉冲幅值涨落与输出电脉冲幅值涨落的关系，如图4、5和6所示。当光脉冲幅值增加时，输出电脉冲的幅值也会随之增加。反之，亦然。将实验数据分别进行了线性拟合，拟合度分别为 0．991，0．977，0．926。根据拟合曲线可以看出，光脉冲幅值的涨落与电脉冲幅值涨落成正比关系。根据PIN光电二极管的工作原理可知，激光脉冲能量越大，光脉冲幅值就越大。也就是说，当开关工作在线性模式时，触发光脉冲能量的涨落是引起输出电脉冲幅值涨落的主要原因。

图4 触发光能量为11．25$J，触发光脉冲幅值涨落与输出电脉冲幅值涨落关系示意图。Fig．4 Relationship between trigger energy fluctuation and electric pulse amplitude fluctuation when the 11．25$J trigger light energy

图5 触发光能量为44．9$J，触发光脉冲幅值涨落与输出电脉冲幅值涨落关系示意图。Fig．5 Relationship between trigger energy fluctuation and electric pulse amplitude fluctuation when the 44．9$J trigger light energy

图6 触发光能量为60．8$J，触发光脉冲幅值涨落与输出电脉冲幅值涨落关系示意图。Fig．6 Relationship between trigger energy fluctuation and electric pulse amplitude fluctuation when the 60．8$J trigger light energy

GaAs PCSS在不同的偏置电场及入射光能下存在两种工作模式。当偏置电场低于某一阈值时，开关工作在线性模式下。当偏置电场超过4～8 kV/cm，开关将进入非线性模式(也称为lock-on模式)。上述实验中，GaAs PCSS工作在线性模式下，即每吸收一个光子最多只能产生一个电子-空穴对。载流子输运过程中由于散射过程和产生-复合过程，使得载流子的速度和数目均存在涨落，这就导致输出电流涨落的产生。而输出电流的表达式是关于时间的函数，因此，每一个确定时刻电流的大小都不是固定不变的。这使得开关在多次导通过程中，存在时间的偏差，即为开关的时间抖动，其表达式为:

其中，ΔIRMS为输出电脉冲涨落的标准偏差，ΔI/Δt为电脉冲上升沿50%处的斜率。当触发激光脉冲宽度相同时，ΔI/Δt为一确定的值。因此，由公式(1)可知在每一个固定时刻下，输出电脉冲的涨落越大，则经多次导通时，开关的时间抖动也就越大。在线性模式下，不存在载流子的倍增效应，则触发激光特性是决定载流子分布的关键。从实验结果中可以看出，当触发激光能量存在涨落时，输出电脉冲也随之涨落，且光脉冲幅值的涨落与电脉冲幅值涨落成正比关系。经上述分析可以看出，触发激光能量的涨落是引起GaAs PCSS时间抖动的关键因素，且激光能量涨落越大，GaAs PCSS时间抖动也随之增加。

当触发激光能量足够强时，GaAs材料会出现饱和吸收。GaAs PCSS输出电脉冲幅值并不会随着激光脉冲能量的增加而增加，此时载流子的数目不会再随着能量的增加而增多，载流子数目的偏差趋于稳定，因此当激光脉冲能量达到GaAs的饱和吸收光能时，开关的时间抖动不会随着触发光能的增大而迅速减小。

4 结 论

本文在外加偏置电压为2 kV下，使用波长为1 053 nm的激光触发GaAs PCSS，在不同的激光能量下测试能量涨落对输出电脉冲能量涨落的影响。对实验数据进行线性拟合，拟合度分别为0．991，0．977，0．926，实验结果表明触发激光能量涨落与GaAs PCSS输出电脉冲能量涨落呈正比关系。开关工作在线性模式时，触发激光特性是决定载流子分布的关键。由实验结果可知载流子的涨落来自于触发激光能量的不稳定，同时结合开关导通过程中载流子的输运过程及时间抖动的定义，理论分析指出触发激光能量的涨落是引起GaAs PCSS时间抖动的关键因素，且激光能量涨落越大，GaAs PCSS时间抖动也随之增加。当触发光能量增大到GaAs材料的饱和吸收限时，载流子数目不会随着能量的变化而变化。因此，能量的涨落不会引起时间抖动的迅速变化。该结论为进一步提高条纹相机的分辨率提供了理论依据。