光电探测器介绍及应用领域

根据器件对辐射响应方式不同，探测器可分为光电探测器和热探测器。热探测器是基于材料吸收光辐射能量后温度升高，从而改变了它的电学性能。与光电探测器相比，它最大的特点是对光辐射的波长无选择性。但目前占据主要市场的仍然是光电探测器，其灵敏度和响应速度相对较高。光电探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。在可见光或近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等；在红外波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等方面。

光电探测器的核心工作物质通常为半导体材料，利用光学元件（如透镜、滤光片和分束器）以及放置在同一轴线上的探测器平面阵列来测量光场。当辐照光子能量等于或大于其禁带宽度或杂质能级的离化能，就能够产生光生自由电子或自由空穴，从而产生光电导。随着科学技术的发展，对光电探测器的灵敏度、响应速度、探测范围、探测精度，乃至于探测器的体积、重量、适用性等都提出了更高的要求，半导体光电探测器逐渐显现出一定的局限性。

近年来，具有介观尺度截面的复合光纤为光电探测开辟了一条新途径。如作为摄像管靶面的光电探测器，为了避免光生载流子扩散引起的图像模糊，连续薄膜靶面通常采用高阻多晶材料，如PbS－PbO、Sb2 S3等。其它材料则要采取镶嵌靶面的方法，整个靶面由约10万个单独探测器组成，制作工艺要求非常高。如采用复合光纤做成光纤面板，可以利用光纤波导结构对于光的约束，避免不同光纤之间的光串扰，从而提高成像分辨率，而且对于靶面材料的选择也更广泛。

光纤光电探测器相比固态半导体光电探测器具有成本低、设计更灵活且光电响应更佳的优点。2016年，华南理工大学的研究人员采用纤芯熔融拉丝法制备了磷酸盐玻璃包层－硒化锑（Sb2Se3）半导体纤芯复合光纤［331］。在195℃时，晶态Sb2 Se3半导体纤芯复合光纤的电导率比室温时高4个数量级，同时还具有较大的赛贝克系数和光电流响应。Sorin等采用聚醚砜树脂作为包层，采用热沉积法将As40－Se54 Te6沉积到聚醚砜树脂包层内壁上，纤芯中间为空气，制备的光纤器件能有效降低噪声电流，将光电探测器的信噪比较固态纤芯器件提高近两个数量级，使得这一器件以很小的入射功率就可以探测到极其微弱的信号［332］。(www.xing528.com)

更为突出的是，集成金属－绝缘体－半导体的微结构光纤，不需要其它分立光电器件，即可实现全光纤通信网络中光的产生、调制和探测。2012年，Badding课题组采用高压化学沉积法（HPCVD）在空芯石英微结构光纤纤芯中沉积n+－Si，n－－Si和Pt同心层，在光纤中形成Si的p－n同质结和Pt/n－Si异质结，该结构支持HE11模式传输，在1550 nm的吸收为30 dB/mm，并且与偏振无关［333］。Pt/n－Si二极管在1310 nm处表现出较强的光电响应，当用功率为6 mW的1310 nm激光照射于异质结上，电极两端反向电流呈几何倍数增加；并且在通信波段（1.31μm和1.55μm）实现了100 ps的高速响应。这些集成高质量多晶Si肖特基结的石英微结构光纤具有高达3 GHz的带宽，可与标准单模光纤直接耦合。随后，该课题组又在石英毛细管中沉积了半导体硅p－i－n结，并拉制光纤。与肖特基结相比，p－i－n结是一种具有更高量子效率的半导体材料，其光电转换效应效率达到0.5%［334，335］。

光纤柔韧性使得光电探测器在设计方面更为灵活，可以将纤维编织成织物，不仅更为轻质，而且可以克服固体探测器的限制，在前所未有的长度和体积尺度上获取光学信息，实现多维和大面积探测。Abouraddy等采用As40 Se49 Te11 Sn5作纤芯，聚砜做包层，Sn、Ag合金做电极，制备的多组分复合光纤器件，实现了二维、三维光场测量［336］。将复合光纤编织成圆球状，获得任意角度入射光的方向，再通过平面光纤网格测量光场强度分布，利用相位恢复算法重构入射光的相位和振幅，实现对空间内任一光束的测量。