空间辐射环境对半导体激光器性能影响的实验研究

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1、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文2003年9月由日本研制的置于ESA光学地面站(OGS)的光通信终端(LUCE)和安装于ESA的地球同步轨道卫星(ARTEMIS)的光通信终端(OPALE) 进行了星地光通信实验[11,12]。此次试验起因于日本计划于2005年发射由日本宇宙探索局(JAXA)研制的地球圆形低轨卫星(OICETS)，并且运用该卫星携带的星间光通信终端(LUCE)将与欧洲空间局(ESA)的地球同步轨道卫星(ARTEMIS)上的光通信终端(OPALE)进行星间光通信链路实验。为了降低星间光通信实验的风险，将光通信终端(LUCE)从日本运至欧洲空间局(ESA)的

2、地面站(OGS)进行瞄准、捕获和跟踪的性能测试。前苏联在卫星光通信方面也进行着研究，并对此项研究极为重视。俄罗斯位于伏龙芝的“NPO《Zarya》研究与生产联合体”就透露该单位早已进行了卫星光通信的理论和试验研究，并取得了满意的结果。但由于前苏联对此研究甚为保密，虽然有个别对卫星光通信器件的研究文献[11]，但难以得到详细资料。俄罗斯对此项工作进行了更加深入的研究，如1060nm镱光纤放大器的研究及测试报告[13]，表明其在建立激光星间链路所需的高功率光纤放大器等单元技术方面已取得了很大进展。不论是美国、欧洲、还是日本对卫星光通信的研究都已经进入了空间实验阶段，而且很

3、快就要发展到实用阶段。我国卫星光通信研究与美、欧、日相比起步较晚，目前国内只有少数几个单位，比如哈尔滨工业大学，电子科技大学等，进行卫星光通信方面的研究工作，这些工作涉及到卫星光通信的基础技术及基本元器件的研究，以及关键技术的研究，但离空间实验阶段还有相当一段距离。虽然我国在这方面的研究与国外的距离较大，但从现有国内器件及技术水平看，卫星光通信所需的技术基础已经具备，这与国外开展卫星光通信研究的初期情况不同，当时卫星光通信所需的主要元器件均不成熟，因此，国外卫星光通信方面的研究工作初期走了不少弯路。现在卫星光通信所需元器件已经比较成熟，我国的卫星光通信研究一定会很快在

4、关键技术方面得到突破，我国卫星光通信研究从开始到进行星上搭载实验的时间也会大大短于国外所花费的时间。1.2.2半导体器件辐射效应研究的发展状况20世纪50年代初期，人们就发现了辐射对半导体的损伤，但没有给予足够的重视。1958年到1962年美、苏进行了大气层核试验，尤其是高空核试验，向地球磁场注入了大量的电子致使当时在轨道上工作卫星受到辐射带-3-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文电粒子的影响，造成星上部分分系统出现异常、故障和永久失效。辐射效应开始引起航天大国的重视，直到美国阿波罗登月飞行，美国对危及航天活动的带电粒子及其辐射效应十分关注。这个时期，核辐射效应主要研究各

5、种材料在辐射场中性能的变化，随着半导体技术的发展，在各种辐射环境下半导体器件及电路的辐射效应研究广泛开展，硅和化合物半导体材料的辐射效应，锗合金型、硅面结型晶体管受中子或γ总剂量辐射产生的永久性位移效应，γ瞬时辐射效应研究都逐步有所报道，有些作者还研究了由分立元器件构成的数字计算机电路的辐射效应，辐射效应研究工作处于初级阶段。1968年美国出版了半导体辐射效应方面的第一部专著。国外从70年代中期开始对几种型号的双极型运放进行了总剂量(Co-60γ射线、电子等)辐射效应、快、慢中子辐射损伤机理、高剂量率瞬态辐照及其加固工艺的研究。高能质子除了产生单粒子翻转和单粒子锁定外

6、，还能引起其他损伤，这是由于高能质子不仅能引起电离效应，而且还能引起晶格原子位移，形成缺陷群，造成永久损伤。理论上美国物理学家P.J.McNulty在这方面作了大量的工作，这也由图象检测器的高能质子实验得到证实[14]。20世纪70年代末80年代初发现了单粒子效应问题。随着电子线路集成度不断提高，以及MOS工艺器件在星上的大量使用，使星上设备在带电粒子轰击下，除出现总电离剂量的性能退化外，还出现在各类存储器中的翻转事件(SEU)这是集成电路的集成密度越来越高的必然结果，起因是卫星不明原因的突然失效，后来进一步的研究发现，单个重粒子电离产生的电荷已足以引起数字电路翻转，

7、产生软错误，也可以使模拟电路的输出端产生电压信号。1975年D.Binder他们通过分析通信卫星的J-K触发器异常事件，首次发现了单粒子翻转现象，其后在星载存储器、微处理器等元器件上都发现了这种现象。他们的工作开辟了空间辐射效应及航天器抗辐射加固技术的一个新兴的、活跃的领域—单粒子效应。现代航天器更多地采用中规模、大规模和超大规模集成电路，而理论分析和试验结果表明，单粒子效应随电路集成度的增大变得更加显著。目前，国外在这方面已开展了大量的工作，包括机理、效应、试验技术、计算机仿真、预计等；质子引起的翻转从1979年已积累了较多的试验数据，而质子导致的