空间高速光电器件辐射效应研究

The space radiation environment is an important factor for the degradation of optoelectronic devices used in space laser communication system. With the future gradual deployment of Chinese space laser communication systems, it is urgent to study the radiation effects of these devices. Due to the difficulty in completely removing packaging material of optoelectronics, thereby resulting in a degradation of injecting particle energies, the radaition damage results of optoelectronic devices given by present experimental method are not accurate. In this study, the radiation shielding model of the high speed laser diodes and avanlanch photodiodes for Chinese laser communication satellites are set up, and are analyzed to obtain the energy and fluence distributions in different layers of the device sensitivie regions behind the packages; based on the non-ionizing energy loss (NIEL) theory, we simulate the NIEL values of complex stoichiometric optoelectronic materials and calculate the damage dose depositing on the active layers of the device. Then, by incorporating the irradiation experimental data, the equivalence of radiation damages between different radiation sources, in order to untilize the advantage of highe penetrating Co-60 and neutron sources to simplify the evaluating procedures of radiation effects for optoelectronic devices with a package. The researh results can provide a new technique for the study of radiation effects on optoelectronic devices, meanwhile, also providing a precise reference data for the radiation hardness design of Chinese space laser communication systems.

空间辐射环境是空间激光通信系统所用光电器件性能衰退的重要因素，随着我国空间激光通信技术的逐步应用，对这些元器件空间辐射效应的研究越来越迫切。由于光电器件封装材料难以去除的特殊性，对加速器的质子和电子有较大的衰减，严重影响了光电器件空间辐射效应评估结果的准确性。本项目针对我国空间激光通信系统所用高速半导体激光二极管和雪崩光电二极管，建立辐射屏蔽模型，模拟计算出经器件封装屏蔽后辐照到器件敏感区各层材料中的带电粒子的能量与注量分布情况；基于非电离能损理论，对复杂化学配比的光电材料的非电离能损进行计算，获得辐照粒子在光电器件敏感区材料中沉积的精确辐射损伤剂量；结合试验数据，开展不同辐射源对光电器件辐射损伤等效性研究，以便能够利用钴源和中子高穿透能力的优点，简化带封装光电器件辐射损伤评价方法，为光电器件辐射效应研究提供新的思路，也为我国空间激光通信系统抗辐射设计提供精确的参考数据。

本项目围绕高速光电器件辐射损伤效应评价问题，完成了高速超窄线宽半导体激光器、高功率半导体泵浦激光器和高速PIN光电二极管的辐射损伤效应评价研究；完成了三元、四元等光电材料非电离能损数值的模拟计算工作；完成了针对带封装光电器件的不同辐射源电离总剂量效应和位移损伤效应的等效性关系研究。在辐射损伤效应研究中，利用电子、质子加速器、高压倍加中子辐射源和60Co-γ射线源辐照光电器件，研究发现对于量子阱激光器，其斜率效率主要受电离总剂量效应的影响，而阈值电流主要受位移损伤效应的影响；对于光纤布拉格光栅型激光二极管，电子和质子辐照后阈值电流基本没有发生变化，斜率效率的衰减与电离总剂量相关；辐照对超窄线宽激光器线宽基本没有影响，但是造成输出波长发生红移现象。对于高功率泵浦激光器，辐照后阈值电流出现了明显的增大现象，而斜率效率下降非常有限，具有较大出光窗口宽度的样品辐照后性能表现更好；对于PIN光电二极管，质子中子辐照后的暗电流比伽马射线辐照后的暗电流增大3-4个数量级，辐照对光电流与光响应度影响不大。电容电压测试结果表明，质子和中子辐照使得器件电容出现增大现象，通过增大反向偏压降低器件电容，提高光电二极管的带宽特性和响应速度。在光电材料非电离能损计算方面，利用基于蒙特卡洛方法，获得光电材料非电离能损随入射粒子能量变化关系，用于计算位移损伤剂量。在不同辐射源等效性研究方面，发现激光二极管斜率效率等参数的衰减与总剂量成正相关关系，而阈值电流、功率等参数与位移损伤剂量成正相关关系；针对光电二极管，研究结果表明暗电流随中子和质子沉积的位移损伤剂量基本成线性关系。该项目研究成果对于评估光电器件位移损伤效应具有重要的应用价值，为我国空间激光通信系统抗辐射设计提供指导依据。