像元间距为25μm、160×120元无热电制冷器的非致冷非晶硅探测器（英文）

介绍用非晶硅微型辐射热量计制成的160×120元非致冷红外焦平面阵列的特点和性能，该阵列集成在一个无铅芯片载体封装中，像素间距为25μm，适合于大批量生产。 25μm像元结构得益于较小的热时间常数，该技术使我们能够设计出更高的热隔离性能，从而能以35μm技术为基础开发出25μm技术。通过采用新的像素设计和更进一步推动设计方法，在没有采用复杂昂贵的双层结构的前提下，保持了较高填充因子。从读出集成电路结构、封装、可操作性和光电性能入手对该探测器进行了介绍。为该探测器设计了一种新型集成读出电路。可以通过串行链接对增益、图像翻转和积分时间等高级功能进行操控，降低电气对接的数量。研制的小型无铅芯片载体封装便于大规模生产探测器，主要用途为便携式摄像机或头盔摄像机。     

一种微波光子探测器组件的封装设计与实现

为实现微波光子系统的高集成度、高可靠性,进行了一种微波光子探测器组件的封装设计与实现。介绍了定制化封装设计思路,选择可伐合金作为壳体材料,采用的卧式贴装方案中选用斜面透镜光纤,给出了封装工艺流程和关键工艺点,最终封装的组件光电耦合效率在68%～79%之间,满足总体指标需求。该组件通过混合集成封装方法,实现了微波芯片与光子芯片在同一封装内的阵列化集成及气密性封装。该组件的封装设计与实现方法,可用于其他微波光子产品,有助于提升光载射频传输系统的集成度与可靠性。     

15μm量子阱探测器低温集成组件技术研究

针对峰值波段15μm的320×256量子阱甚长波红外探测器应用的快速降温、低功耗和环境适应性要求,分析了15μm量子阱探测器低温集成组件技术的特点。通过对冷指的优化设计、冷屏的热设计及冷平台辅助支撑结构设计等低温集成技术的研究,实现了量子阱探测器组件的快速降温、低功耗和高环境适应性。经过测试,封装有量子阱探测器的IDCA组件满足项目使用要求。     

封装热应力致半导体激光器“Smile”效应的抑制方法

封装热应力所致smile效应是阵列封装大功率半导体激光器中普遍存在的问题。为解决这一问题,本文在研究smile效应产生机理的基础上,提出采用错温封装技术和热沉预应力封装技术降低smile效应的措施。以某808nm水平阵列封装半导体激光器为例,采用仿真分析的办法研究了上述技术的可行性和有效性。仿真分析表明,采用传统封装技术,在恢复至室温22℃后,芯片smile值约为39.36μm,采用封装前升高芯片温度至429℃的错温封装技术,可以将smile值降至1.9μm;若采用热沉预应力技术,对热沉的两个端面沿长边方向分别施加190 N的拉力,可以将smile值降至0.35μm。结果表明,这两种封装措施是有效的。错温封装技术和热沉预应力封装技术具有易于实现的优点,其中热沉预应力技术对于各种smile效应类型和不同的smile值都可以调整和修正。     

基于法布里-珀罗微腔阵列的光读出红外热成像器件设计与制作

提出了一种新颖的基于硅基法布里珀罗微腔阵列的光读出红外热成像器件 ,该器件利用光学读出技术将红外图像直接转化为可见光图像 ,其焦平面阵列 (FPA)是一个基于微机电系统 (MEMS)制作的法布里珀罗微腔阵列。阐明了器件的工作原理 ;完成了可动微镜结构、热机械、可见光读出部分设计。理论分析表明 ,对Al/SiO2 双材料体系而言 ,SiO2 厚度应大于 0 .3μm ,其最佳厚度比为 0 .5 98,相应的最大热 机械灵敏度可达 10 -8m/K。采用体硅微机电系统技术 ,实验制作出了 5 0× 5 0焦平面阵列。     

实时激光三维成像焦平面阵列研究进展

研究了应用于实时激光三维成像的焦平面阵列技术,介绍了目前国际上几种常用的焦平面阵列实现原理与技术特点,并对其优点与不足进行了分析,同时对表征焦平面阵列的主要性能指标以及其对最终成像系统的影响进行了定性分析。根据对现有技术的对比分析,提出基于雪崩光电二极管（APD）阵列和读出电路（ROIC）集成的探测器方案在灵敏度和作用距离等方面具有一定优势,是实现实时三维成像焦平面阵列较为理想的技术。作者认为在未来十几年内,激光三维成像焦平面阵列规模有望超过1 024 pixel×1 024 pixel,像元尺寸可降低到15μm。     

基于阻性阳极读出方法的气体电子倍增器二维成像性能

新型微结构气体探测器,如气体电子倍增器(gas electron multiplier,GEM)等,具有非常好的位置分辨率潜力(σ100μm),但是需要匹配大规模高密度的读出电子学,给探测器的建设、造价、功耗、空间利用等带来极大压力.阻性阳极读出方法可以在保持较高位置分辨率的前提下,大幅节省电子学.基于厚膜电阻工艺,一种新的阻性单元阵列结构被成功开发和应用于三级级联GEM探测器的读出阳极.该阻性阳极包括6×6个6 mm×6 mm的基本阻性单元,仅需匹配49路读出电子学.~(55)Fe放射源(5.9 keV)和X光机(8 keV)实验的结果显示探测器的位置分辨率(σ)可好于80μm,位置非线性好于1.5%.同时,探测器还获得了很好的实物成像效果.探测器的优良性能表明这种阻性阳极读出方法适用于大面积二维成像气体探测器的读出,并可用于其他探测器的读出.     

应用于塑料光纤通信接收芯片的集成光电探测器(英文)

基于0.5μm标准Biplor、互补金属氧化物半导体和双扩散金属氧化物工艺设计了两种不同结构不同尺寸的光电探测器,包括传统的P+/N-EPI/BN+结构光电探测器和多叉指P+/N-EPI/BN+结构的光电探测器.通过仿真优化设计了光电探测器的结构参量和性能,测试结果表明:多叉指状P+/NEPI/BN+光电探测器能够改善650nm的响应度以及降低结电容.选择该结构大面积P+/N-EPI/BN+光电探测器用于和跨阻放大器以及后端放大器的单片集成,采用0.5μm标准Biplor、互补金属氧化物半导体和双扩散金属氧化物工艺实现了一个用于650nm塑料光纤通信的单片集成光接收芯片.该光接收芯片的测试结果表明:对650nm的入射光,在160 Mb/s速率的伪随机二进制序列以及小于10-9的误码率条件下,光接收芯片的灵敏度为-15dBm,并能得到清晰的眼图.因此,本文设计的光电探测器可以很好地应用于宽带接入网中的高速塑料光纤通信系统的光接收芯片中.     

集成大面积光电探测器接收芯片的优化设计（英文）

通过仿真优化探测器的结构参数和性能,设计了基于0.25μm标准BCD(Biplor,CMOS and DMOS)工艺的大面积多叉指状PIN光电探测器.选择已优化的大面积光电探测器用于和跨阻放大器以及后端放大器单片集成,采用0.25μm BCD工艺实现了一个用于650nm塑料光纤通信的单片集成光接收芯片.结果表明:多叉指状PIN光电探测器对650nm入射光的响应度提高至0.260A/W,其结电容降低至4.39pF.对于650nm的入射光,在速率250 Mb/s、误码率小于10-9的条件下,光接收芯片的灵敏度为-23.3dBm,并得到清晰的眼图.该光电探测器可用于宽带接入网中的高速塑料光纤通信系统的光接收芯片中.     

高帧频384×288长波数字红外焦平面探测器

高帧频红外焦平面探测器在红外武器系统、光谱成像和高速测温中有着重要应用.目前,我国高帧频红外焦平面技术还比较落后,这严重制约着我国高端红外武器装备、光谱成像技术、高速测温仪器的发展.针对高帧频红外成像应用,设计并流片加工了一款384×288面阵、像元间距为25 μm的数字读出电路,与长波HgCdTe红外探测器芯片进行倒装互连,形成混合探测器芯片,并封装于金属真空杜瓦中,再配置斯特林制冷机,成功研制出了高帧频384×288长波数字红外探测器组件.经测试,所研制器件最高帧频达到1012 Hz,噪声等效温差(NETD)为16.8 mK,动态范围达到95.2 dB.采用所研制器件成功捕捉到了打火机点火瞬间的红外图像,该图像清晰呈现了火焰产生、迸出的过程,获得了良好的成像效果.     

高功率红外摄像机

Amber工程公司的AE-4256型是用于高分辨率成像的256×256元InSb焦平面阵列摄像机。其灵敏度为1～5.5μm。此摄像机有一个提供全部驱动、捕获、处理及显示功能的支持电子线路。这家公司声称,该摄像机具有良好的像素均匀性、98％的像素可操作性,以及0.010°的噪声等效温差(NE△T)。图像数据可表示为RS-170、RS-343、数字式RS-170的数据,或直接为12bit像素数据。该产品的估价为69000美元。     

二维多丝室探测器读出方法的优化

中国散裂中子源将建设一台基于~3He气体的二维多丝室,作为多功能反射谱仪束线的中子探测器.基于已有的研究,为优化选择二维多丝室探测器的丝结构,本文研究了三种不同的丝结构,并采用重心读出方法和数字读出方法进行了探测器的性能测量,得到了满足多功能反射谱仪探测器需求的读出方法.实验结果表明:对同种丝结构的二维多丝室探测器,重心读出方法的位置分辨和成像性能都好于数字读出方法;基于重心法读出的多丝室探测器位置分辨率可以达到约160μm,基于数字读出方法的多丝室探测器位置分辨率可以达到约400μm.优化设计的丝结构为:基于重心读出法的阳极丝间距1.5 mm、读出通道间距4 mm,基于数字读出法的阳极丝间距1.5 mm、读出通道间距2 mm.优化设计的丝结构均能满足谱仪的位置分辨要求.     

6.25 Gbps×12通道小型甚短距离并行光收发模块的研制

 介绍了一款基于系统级封装技术的低成本、收发一体、可带电热插拔的12通道小型光模块的研制。该光模块采用850 nm垂直腔面发射激光器阵列及其驱动器作为发射端,光电探测器阵列及其跨阻放大器作为接收端,通过光路无源对准实现了低成本光互连。高速度、高密度封装下的瞬态同步开关噪声、芯片间电磁干扰、通道间串扰、反射等电学问题是实现模块整体性能的难点。基于埋入技术的新型滤波器的使用实现了封装尺寸小型化且改善了电源网络的完整性;基于电磁场、传输线理论的信号完整性设计减小了通道间串扰且通过补偿阻抗不连续结构增加了通道带宽。模块背靠背眼图测试结果显示6.25 Gbps速率下系统传输零误码。     

ALICE实验内径迹系统探测器升级

大型重离子对撞实验(A Large heavy-Ion Collision Experiment,ALICE)按计划在大型强子对撞机(Large Hadron Collider,LHC)的第二次停机(2019—2021)期间进行探测器升级工作。为了对强相互作用物质——夸克胶子等离子体(Quark-Gluon Plasma,QGP)的性质进行更细致的研究,作为升级计划中重要的一个内容是把ALICE实验现有的内径迹系统探测器(Inner Tracking System,ITS)全面升级为基于单片有源像素传感器(Monolithic Active Pixel Sensor,MAPS)技术的硅像素探测器(习惯称之为ITS2),并在Run 3和Run 4期间采集更多的铅核-铅核碰撞数据。新的ITS2共由7层(内3层,中间2层和外2层)探测桶面组成,共由24 000余片尺寸为3 cm × 1.5 cm的MAPS硅像素芯片(该芯片称之为ALPIDE)构成,有效探测面积达10 m2,共约120亿像素。ALPIDE芯片厚度为50 μm,单个像素的尺寸是27 μm × 29 μm,该芯片具有低功耗、高空间分辨率和高速读出等特点。ITS2将使ALICE探测器在测量极低横动量粒子时具备优异的探测效率和碰撞参数分辨率,同时也使ALICE探测器适应于LHC高束流亮度环境。目前ITS2的探测器模块量产和测试已于2019年完成,并在欧洲核子中心(CERN)洁净室完成了7层桶面的组装与安装,于2020年完成试运行测试。2021年1月启动ITS2在ALICE探测器中的安装与试运行工作,计划于2021年5月底完成ITS2的安装与测试。本工作将对ALICE/ITS2的探测器结构、ALPIDE芯片和升级进展等方面进行介绍。     

多通道热释电IRFPA图像拼接采集系统

为了实现分辨率高的大规模热释电IRFPA探测器,设计了多路通道并行输出的读出电路。针对多路输出的热释电IRFPA探测器,依据热释电探测的时序要求,设计了图像拼接采集系统。利用外部驱动信号控制采集卡的触发及采样时钟,由斩波器同步信号判断热释电探测器的亮场及暗场信号。构造PC-DAQ虚拟仪器系统对多通道输出的热释电型IRFPA进行多路并行图像采集,并对每路图像信号进行亮、暗场判断后进行差分处理,通过软件拼接处理成一副完整的图像,最终在软件平台上显示。对实验室研制的160列120行双通道读出及320列120行四通道读出的热释电读出电路进行了图像采集实验,对于同样阵列大小的单通道读出探测器,双通道结构读出速度提高了1倍,四通道结构读出速度提高了3倍。通过采集成像实验验证了系统的可行性。     

基于选区外延技术的单片集成阵列波导光栅与单载流子探测器的端对接设计

选区外延技术是实现有源与无源光器件单片集成的一种有效的工艺手段,但同时对两种器件在异质生长界面处的对接结构提出了更高的设计要求.本文通过选区外延技术实现了InP基O波段4通道阵列波导光栅与单载流子探测器的单片集成.通过光学仿真重点研究了选区外延后界面处形貌对无源波导结构与有源光探测器间光耦合效率的影响,包括伸长的光学匹配层、二次外延生长边界位置、波导刻蚀边界位置等因素.研究结果表明,在保证二次外延生长边界对准异质对接界面时,将光学匹配层伸出探测器前端10μm并与外延边界无缝对接既可以保证高效的光传输效率(或探测器量子效率),又可以避免外延界面处的异常生长对器件制备工艺的影响,保证生长工艺与器件制备工艺的兼容性.成功制备的单片集成芯片具有高达76%的探测器量子效率,证明了对接方案的有效性.同时,集成芯片的低串扰(-22 dB)与解复用特性展示出其作为解复用光接收芯片具有巨大潜力.     

封装对大功率半导体激光器阵列热应力及Smile的影响

提出一种采用双铜-金刚石的"三明治"封装结构,利用有限元分析方法研究了其与传统的Cu+Cu W硬焊料封装结构激光器的热应力与Smile.对比模拟结果发现新封装结构热应力降低43.8%,Smile值增加95%.在次热沉热膨胀系数与芯片材料匹配的情况下,使用弹性模量更大的次热沉材料,可对芯片层热应力起到更好的缓冲作用.以硬焊料封装结构为例,分析了负极和次热沉厚度对器件Smile的影响.结果表明负极片厚度从50μm增加到300μm,器件工作结温降低2.26℃,Smile减小0.027μm,芯片的热应力增加22.95 MPa.当次热沉与热沉的厚度比小于29%时,Smile随次热沉厚度增加而增加;而当次热沉厚度超过临界点后,Smile随次热沉厚度增加而减小.当次热沉厚度达到临界点(2300μm)时,硬焊料封装的半导体激光器具有最大的Smile值3.876μm.制备了Cu W厚度分别为300μm和400μm的硬焊料封装976 nm激光器,并测量了其发光光谱.通过对比峰值波长漂移量,发现Cu W厚度增加了100μm,波长红移增加了1.25 nm,根据温度和应力对波长的影响率可知应力减小了18.05 MPa.测得两组器件的平均Smile值分别为0.904μm和1.292μm.实验证明增加Cu W厚度可减小芯片所受应力,增大Smile值.     

基于单片有源像素传感器的探测模块测试研究

硅像素探测器因具有优异的空间分辨率、极高的耐计数能力和较低的功耗等优点,近年来已被广泛应用于高能对撞机实验的顶点探测器和内径迹探测器.基于MIMOSA28芯片的硅像素探测器研究是北京谱仪Ⅲ漂移室内室的升级预研方案之一,该方案计划建造一个漂移室内室1/10规模的模型.探测模块是该模型的基本探测单元.为了对探测模块的性能进行研究,搭建了实验室测试系统.该系统主要由五层探测模块、读出电子学系统以及数据获取系统组成.本文围绕带有触发标记的连续数据读出方法的实现、探测模块的噪声水平和放射源响应测试以及击中位置重建算法研究展开.测试结果验证了探测模块工作性能良好,触发读出逻辑正确,而且重建算法准确有效,为后续探测模块性能的进一步研究奠定了基础.     

透镜辅助的集成收发调频连续波激光雷达

基于单片集成收发芯片搭建了一个透镜辅助光束扫描的激光雷达系统。基于硅基集成技术设计了一个单片集成收发芯片，片上集成了一个1×4的光开关以及2×2的收发器阵列。收发器由中间的一个光栅发射器以及周围的U形光电探测器构成。实验证明，光开关具有5.4μs左右的响应时间，收发器具有0.3 A/W的光电流响应。结合研制的具有300 ns响应时间的扫描电控装置，搭建了调频连续波激光雷达系统，并在1 m范围内进行了测距实验。     

双材料微梁阵列室温物体红外成像

针对近年出现的新概念光学读出双材料微梁阵列红外成像技术，提出了具有热变形放大效果的无硅基底回折腿间隔镀金的微梁单元结构,并建立了其热机械模型，在模型分析基础上，成功的设计制作了100×100像素的焦平面阵列(focal plane array,FPA).在构建的红外成像系统中，实现了对室温物体——人体的热成像，噪声等效温度差约为200mK.实验结果与热机械模型的分析一致. 关键词： 非制冷红外成像 光学读出 双材料微梁阵列