母一寧,杜 月,李 野,李鑫偉,解晶晶

(長春理工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系,吉林長春 130022)

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空間光通信用復(fù)合波導(dǎo)陽極微通道光電倍增管

母一寧,杜 月,李 野,李鑫偉,解晶晶

(長春理工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系,吉林長春 130022)

為了降低自由空間光通信系統(tǒng)對(duì)高跟蹤精度的需求,化簡光學(xué)天線結(jié)構(gòu),縮小系統(tǒng)體積,本文提出了一種采用復(fù)合波導(dǎo)陽極的空間光通信專用微通道光電倍增管.首先從微通道板光電倍增理論模型的角度出發(fā),介紹了新型器件的工作原理并分析復(fù)合波導(dǎo)陽極的透射陽極和位敏陽極對(duì)真空倍增系統(tǒng)造成的約束條件；其次通過光學(xué)傳遞函數(shù)分析方法研究了復(fù)合波導(dǎo)陽極的器件特性并給出了器件設(shè)計(jì)參數(shù)與成像能力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；接著在此基礎(chǔ)上分析了高速信號(hào)檢測(cè)功能和入射光軸精確定位功能的約束關(guān)系,給出了相應(yīng)的電子光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與修正方法；最后在真空爐中進(jìn)行了該新型器件的驗(yàn)證性試驗(yàn).

自由空間光通信;微通道光電倍增管;復(fù)合波導(dǎo)陽極

1 引言

在空間光通信中,為了增大通信光接收功率通常需要選用大口徑光學(xué)天線對(duì)通信光進(jìn)行增益并平滑大氣湍流影響.然而由幾何光學(xué)原理可知,大口徑光學(xué)系統(tǒng)從理論上講,焦距無法太短并且為了保證通信帶寬,接收端的半導(dǎo)體探測(cè)器光敏面尺寸無法太大.可見,實(shí)際的空間光通信系統(tǒng)的通信光接收視場通常極小[1,2].另外,由于承載平臺(tái)自身會(huì)發(fā)生隨機(jī)震動(dòng),這又進(jìn)一步提高了鏈路對(duì)光軸對(duì)準(zhǔn)精度及跟蹤帶寬的需求.對(duì)此國內(nèi)外學(xué)者展開了較為深入的研究,比如文獻(xiàn)[3,4]指出采用自適應(yīng)光學(xué)的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光軸的精確定位；文獻(xiàn)[5,6]指出采用復(fù)合多級(jí)跟蹤模式提高跟蹤與對(duì)準(zhǔn)精度.目前為了保證通信鏈路的建立,通常需要三個(gè)光學(xué)天線完成,最終導(dǎo)致體積與重量加大且面臨多光軸精密校準(zhǔn)難題.由文獻(xiàn)[7,8]可知,利用微通道光電倍增管探測(cè)通信光,可以緩解光敏面尺寸的約束程度,但多光軸校準(zhǔn)難題仍未被徹底解決.本文提出了一種空間光通信用復(fù)合波導(dǎo)陽極微通道光電倍增管,采用復(fù)合波導(dǎo)陽極微結(jié)構(gòu)后使其既具有射頻光電信號(hào)檢測(cè)能力,又具有入射光軸精確定位功能,最終將粗瞄、精瞄、通信光接收天線三者合而為一.

2 復(fù)合波導(dǎo)陽極結(jié)構(gòu)與工作原理

帶復(fù)合波導(dǎo)陽極的微通道光電倍增管如圖1.

通信光脈沖c被光學(xué)天線匯聚,透過窗口a,聚焦于光電陰極b并產(chǎn)生光電子,由于光電陰極b與微通道d采用近貼式結(jié)構(gòu)所以光電陰極b所產(chǎn)生的光電子將被微通道d所收集并且在d中倍增成高能電子云i,高能電子云在外加高壓電極引入電場的作用下加速撞向復(fù)合式波導(dǎo)陽極,復(fù)合式波導(dǎo)陽極主要由微通道d′,透射式陽極g,位敏陽極h構(gòu)成,首先在微通道d′兩端分別濺射微米量級(jí)的H-K絕緣薄膜(比如:氧化鋁或氧化鎂).然后將透射式陽極g薄膜制作在微通道d′一面(可以采用有機(jī)載膜去除工藝或襯底轉(zhuǎn)移工藝),在另一面采用相同的工藝制作位敏陽極h薄膜,最后在位敏陽極上制作位敏結(jié)構(gòu)[9].

可見,要讓一個(gè)微通道光電倍增管兼顧射頻光電信號(hào)探測(cè)與入射光軸精確定位兩方面,在具體器件設(shè)計(jì)時(shí)還需考慮諸多約束條件.

3 器件設(shè)計(jì)參數(shù)與成像能力建模

由上文可知,復(fù)合波導(dǎo)陽極微通道光電倍增管主體由光電陰極、微通道板、復(fù)合波導(dǎo)陽極三部分組成,分辨力由上述三者及幾何設(shè)計(jì)關(guān)系而定,其表達(dá)式為:

(1)

式(1)中R1為陰極電子光學(xué)分辨率；R2為復(fù)合波導(dǎo)陽極電子光學(xué)分辨率；Rm為MCP固有分辨率；Rs為復(fù)合波導(dǎo)陽極固有分辨率.

根據(jù)靜電聚焦原理R1為引入的像差表達(dá)式為:

(2)

式(2)中d1為陰極近貼距離；ε1為電子云出射平均動(dòng)能；V1為極間電壓；α為電子云初始發(fā)散角.令ξ=ε1/V1,Dm=2d1ξ0.5,即r0=Dmsinα.由式(2)可知,凡具有初始平均動(dòng)能為ε1,初始角α的光電子都有幾率打到半徑為r0的圓內(nèi),可見問題轉(zhuǎn)化為求二元隨機(jī)變量(ξ,α)的函數(shù)r的分布問題.設(shè)電子落在r0的概率為P{r

N(r)=?DdN(ξ,α)

(3)

式(3)中D為指定區(qū)域.接下來對(duì)式(3)微分便可獲得密度函數(shù)n(r)=dN(r)/dr.接下來將密度函數(shù)以點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)形式代入獲得最終MTF表達(dá)式 :

(4)

式(4)中ε1可通過愛因斯坦公式獲得:

(5)

由式(5)看出光電子的初始最大動(dòng)能只與光陰極材料相關(guān)且初始最大動(dòng)能差別不大.R2與R1存在明顯不同,為了能讓高能電子隧穿復(fù)合波導(dǎo)陽極,必須為電子云加速預(yù)留一定空間,進(jìn)而無法采用近貼式結(jié)構(gòu).同理按照MTFR1的求解辦法獲得MTFR2,其表達(dá)式為:

(6)

式(6)中d2為微通道板與復(fù)合波導(dǎo)陽極距離；ε2為微通道板輸出電子云的出射動(dòng)能；V2為極間加速電壓.由于復(fù)合波導(dǎo)陽極是在微通道板上制作不同的微結(jié)構(gòu)陽極而成的,所以其固有分辨率的計(jì)算方式與微通道板固有分辨率的制作方式基本相同,Rs與Rm的MTF的分析方法與表達(dá)式基本相同.同理按照MTFR1、MTFR2的求解辦法獲得MTFMCP,表達(dá)式為:

(7)

由式(7)可知,微通道孔直徑線性影響其分辨能力,只要減小D就可以直接提高其分辨能力.根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,微通道的直徑已經(jīng)可以達(dá)到微米量級(jí),所以從理論上講這部分對(duì)整個(gè)器件的分辨能力影響不大.

4 復(fù)合波導(dǎo)陽極設(shè)計(jì)原理與特性

4.1 透射陽極的電子渡越與散射

復(fù)合波導(dǎo)陽極的上表面是一層鋁膜作為透射陽極,該薄膜的主要功能是吸收大部分電子及渡越部分電子來引發(fā)二次電子倍增.然而電子在渡越鋁膜時(shí),主要會(huì)發(fā)生彈性散射和非彈性散射.對(duì)于一定厚度的鋁膜,入射電子經(jīng)歷多次碰撞,累積偏向可利用玻爾茲曼方程統(tǒng)計(jì)確定.費(fèi)米求解了簡化的玻爾茲曼方程,其散射電子的空間幾率分布密度為:

(8)

其中,r是距離入射電子束軸線的徑向半徑,Z′是沿電子穿透方向的垂直距離,λ′是散射平均自由程.歸一化條件為:

(9)

其中,散射平均自由程空間高斯分布形式為:

(10)

其中,A是原子量,E是電子能量,ρ是薄膜密度,Z是原子序數(shù).通過式(8)、式(10)可獲得電子穿透薄膜深度為Z′時(shí),距離高斯中心線半徑處的響應(yīng)密度,即獲得電子經(jīng)過薄膜后電子束擴(kuò)散模型:

(11)

高斯半徑ri是入射束在Z`=0處的半徑,第二項(xiàng)表示出了半徑的擴(kuò)展.相應(yīng)的薄膜散射效果如圖2所示.

當(dāng)復(fù)合波導(dǎo)陽極暴漏在大氣環(huán)境中,如果透射陽極過薄,薄膜被壓破的幾率將明顯上升.圖3給出了鋁制薄膜承受氣壓應(yīng)變與應(yīng)力的有限元仿真圖.

圖3選用了口徑為50μm的微通道口,厚度為0.2μm的透射陽極作為參考.0.5μm鋁制薄膜的電子渡越能力評(píng)價(jià)圖如圖4所示.

4.2 位敏陽極特性與誤差分析

位敏陽極的種類很多,目前常見的有楔條形、四象限等結(jié)構(gòu).本文為了方便驗(yàn)證該新型器件的理論可行性,采用了較為簡單且易于分析的四象限結(jié)構(gòu).本文實(shí)驗(yàn)的分割溝道間距為25μm.當(dāng)高能電子云渡越透射陽極且經(jīng)過二次倍增后最終被每個(gè)獨(dú)立的陽極收集,所產(chǎn)生的電流值為Ia、Ib、Ic、Id.不同陽極之間所產(chǎn)生的電流由于正比于分布其表面的電子云功率,其X方向的細(xì)分質(zhì)心表達(dá)式為:

(12)

在整個(gè)光軸檢測(cè)系統(tǒng)中,最小的光電成像單元直接決定光軸檢測(cè)系統(tǒng)的固有分辨力,即固有精度Δ等于最小成像的直徑dA的一半與光學(xué)天線焦距f的商.然而,光軸定位精度由兩部分組成,第一部分是固有精度Δ,第二部分是檢測(cè)細(xì)分精度σ,即θ=Δ*σ.

當(dāng)考慮噪聲Ix對(duì)每個(gè)象限影響時(shí),噪聲電子云引入的誤差表達(dá)式為:

(13)

噪聲電子云Ix引入的干擾主要和信噪比和有效脈沖電子云的尺寸有關(guān)(dA),即信噪比越大,干擾越小,光軸脫靶量越小干擾越小.設(shè)定透射陽極接收到的電子云斑為0.12mm,器件前端的光學(xué)系統(tǒng)焦距為150mm,即該器件的固有分辨能力為800μrad.在上述假設(shè)的基礎(chǔ)上,圖5給出了噪聲電子云對(duì)檢測(cè)精度的影響以及不同偏差角度檢測(cè)誤差.

5 分析與驗(yàn)證

為了驗(yàn)證復(fù)合式波導(dǎo)陽極二次倍增的可行性,本文開展了以下驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn).首先由于高速脈沖引入的高頻分量較多,在透射陽極與位敏陽極信號(hào)提取時(shí),交流與直流之間的阻抗匹配很難一致,為此需要采用直流紫外光源獲得最佳且統(tǒng)一的信號(hào)提取標(biāo)準(zhǔn).因?yàn)樽贤釲ED的連續(xù)輸出能力極弱,所以這里選用美國BHK公司生產(chǎn)的冷陰極紫外燈作為外部觸發(fā)光源并通過管流控制發(fā)光功率.在該光源前端近貼放置直徑為0.6mm的小孔光闌,然后利用焦距為60mm,口徑為40mm的石英雙凸透鏡模擬光通信的準(zhǔn)直系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)紫外光完成準(zhǔn)直與擴(kuò)束.隨后通過相同的石英雙凸透鏡模擬光學(xué)接收天線將艾里斑耦合至真空系統(tǒng)中的金陰極表面中心區(qū)域,即將直徑為0.6mm的紫外光斑等比例投影到陰極表面,其固有分辨率約5mrad.本文試制的器件參數(shù)如下,光電陰極b為金陰極,d選用有效口徑為18.4mm的微通道板,通道孔徑為6μm,通道孔間距為8μm,厚度為0.3,徑長比為50,d復(fù)合波導(dǎo)陽極的微通道板出于試制成本考慮選用了和d一樣的微通道板,其透射陽極膜層厚度為0.5μm,位敏陽極膜層厚度為2μm,中心分割溝道間距為25μm,其中d的板壓為1000V,g與h之間壓差為700V.由公式7可知,這兩部分的理論分辨能力極高對(duì)分辨率影響不大.為了簡化器件特性測(cè)試,實(shí)驗(yàn)并未采用二節(jié)所述的近貼式結(jié)構(gòu),而是僅僅通過機(jī)械壓緊的結(jié)構(gòu)固定,由于需要給引入電極預(yù)留一部分空間,所以b與d之間必然存在一定的電子衍射空間,本文設(shè)計(jì)b與d之間距離約為0.5 mm,為了減少這0.5 mm電子衍射,減少實(shí)驗(yàn)測(cè)試引入的不必要分辨率損耗 ,可以在b與d之間壓差為500V,進(jìn)而起到加速渡越作用.由文獻(xiàn)[10]與公式(5)可知金陰極的電子逸出初始最大動(dòng)能約2.26eV.對(duì)于微通道板d前半段,如果采用近貼式結(jié)構(gòu)即b與d之間距離趨近0,所以按照常規(guī)工藝制作器件時(shí),這部分電子衍射將被忽略,然而對(duì)于微通道板d后半段的電子衍射是不可避免的.因?yàn)樾枰骖櫷干潢枠O的電子渡越能力,必須給電子云預(yù)留加速空間(Z′),雖然c和d之間擁有一個(gè)高壓(V2)可以加速電子快速渡越減少一定地衍射,但這部分的分辨率損失是不可避免的.這里d與g之間的間距為5mm,d與g之間壓差為7000V,由于本文選用的微通道板孔徑很小只有6μm,所以這里設(shè)定電子出射均值能量約為65eV.根據(jù)第3節(jié)所述真空電子倍增系統(tǒng)的光學(xué)傳遞模型可知,該器件的理論調(diào)制傳遞函數(shù)如圖6所示.

當(dāng)d與g之間壓差由7000V每隔500V依次逐漸降低,透射陽極的隧穿效率與位敏陽極提取到的電流相應(yīng)變化趨勢(shì)如圖7所示.

可見當(dāng)隧穿電壓下降時(shí),透射陽極隧穿電子量將隨之大幅下降,進(jìn)而導(dǎo)致位敏陽極輸入信噪比也將大幅隨之下降,最終導(dǎo)致薄膜散射、暗電流等噪聲影響將越發(fā)明顯,具體影響效果如圖5所示.反之隨著隧穿電壓升高,第二塊微通道板的飽和趨勢(shì)將越發(fā)突顯出來,位敏陽極的細(xì)分精度下降.可見該復(fù)合式波導(dǎo)陽極在該光照條件下的最佳隧穿電壓出現(xiàn)在5000～ 4500V之間(這部分電流變化梯度最為明顯,微通道板的增益特性與信噪比均可達(dá)到最佳狀態(tài)).可見探索復(fù)合式波導(dǎo)陽極自適應(yīng)隧穿門控技術(shù)將是在復(fù)雜光場環(huán)境中實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)光軸定位的前提.以5000V隧穿電壓為例,透射陽極讀出電流約9.7nA并約有6%的電子完成了隧穿.四象限讀出電流分別約為6.15nA、3.35nA、2.45nA、4.55nA,即光軸X方向脫靶量約為1.485mrad.由此可見,復(fù)合式波導(dǎo)陽極的“二次倍增”可行性得到了較好證明.

6 結(jié)論與展望

本文首次提出了一種適用于空間激光通信的微通道光電倍增管；通過改用復(fù)合波導(dǎo)陽極進(jìn)而使該器件具備射頻信號(hào)檢測(cè)能力與入射光軸精確定位能力,并對(duì)這種新型器件設(shè)計(jì)方法展開研究并建模.首先分析了真空器件設(shè)計(jì)參數(shù)與成像能力之間的對(duì)比關(guān)系,然后又從器件模型的角度分析了高速信號(hào)檢測(cè)功能對(duì)入射光軸精確定位功能的約束情況,最后又給出了相應(yīng)電子光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與修正方法,并在真空爐中進(jìn)行該新型器件的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn).

雖然這類真空器件與目前的主流半導(dǎo)體器件相比互有伯仲,但是這種新型的專用器件或許將對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的空間光通信系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)帶來一種全新的設(shè)計(jì)思路.為未來全面實(shí)現(xiàn)輕小型化的動(dòng)態(tài)空間光通信奠定器件基礎(chǔ).

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母一寧 男,1985年生于吉林長春.長春理工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系講師,碩士生導(dǎo)師.研究方向?yàn)榭臻g光通信與光電子器件.

李 野(通信作者) 男,1969年生于吉林白城.長春理工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系研究員,博士生導(dǎo)師.研究方向?yàn)槲锢黼娮訉W(xué).

E-mail:der040303020@163.com

Complex Waveguide Anode Micro-channel Plate-Photomultiplier Tube (MCP-PMT) for Space Optical Communication

MU Yi-ning,DU Yue,LI Ye,LI Xin-wei,XIE Jing-jing

(DepartmentofElectronicScienceandTechnology,ChangchunUniversityofScienceandTechnology,Changchun,Jilin130022,China)

In order to decrease the high tracking precision press of free space optical communication,simplify the optical antenna structure and reduce the system size,a new specialized micro-channel plate-photomultiplier tube(MCP-PMT) using complex waveguide anode is first proposed in this paper,which could be used in free space optical communication system (FSO).First of all,from the view point of photomultiplier model of microchannel plate,the principle of new device is described and the effect of both transmission and position anode of complex waveguide anode to constraints of vacuum photomultiplier system is analyzed; Secondary,the device characteristic of the complex waveguide anode devices is investigated through analytical method of modulation transfer function(MTF),and the corresponding relations between design parameters of device and imaging ability is given.Based on the above,constraint relation between high-speed signal detection and optical axis position are investigated and corresponding design and correction method of electro-optical system are derived.At last,this kind of new device is verified through experiment in the vacuum furnace.

free space optical (FSO)；micro-channel plate-photomultiplier tube(MCP-PMT)；complex waveguide anode

2015-05-19;

2016-04-18；責(zé)任編輯：藍(lán)紅杰

吉林省重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目(No.20150204049GX )吉林省科學(xué)教育廳項(xiàng)目(No.吉教科2016357)

TN95

A

0372-2112 (2016)11-2812-05

??學(xué)報(bào)URL:http://www.ejournal.org.cn

10.3969/j.issn.0372-2112.2016.11.035