基于β-Ga2O3材料的“日盲型”紫外光通信应用研究

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由于臭氧层的吸收,波长在200-280nm的紫外光在地球表面几乎不存在,通常称为“日盲区”,工作在该区域的通信系统被称为日盲紫外通信。相比于无线通信、红外通信、激光通信,日盲紫外通信因具有准确率高、保密性好、不受环境干扰等优点,俨然成为各国军事竞争的研究重点。紫外通讯系统中最核心的部件是日盲紫外光电探测器。β-Ga2O3的带隙为4.95.1eV,对应的波长在254nm,且具有高的热稳定性和化学稳定性,是理想的日盲光电探测器材料。由于β-Ga2O3薄膜的生长过程很容易引入氧空位等缺陷,制备获得的基于纯β-Ga2O3薄膜的光电探测器往往具有较高的暗电流,探测器性能不佳。本文重点开展了Mg掺杂β-Ga2O3薄膜的生长,有效地减少了氧空位,降低了暗电流,提高了探测器性能,并设计了基于Mg:β-Ga2O3薄膜的日盲型紫外通信系统。主要获得了以下研究成果:(1)采用磁控溅射法在蓝宝石衬底上生长Mg掺杂β-Ga2O3芯片。在常温和大气压0.8Pa的条件下,在蓝宝石衬底上生长Mg掺杂β-Ga2O3薄膜4小时,然后在800℃的条件下退火4小时。在扫描电子显微镜(SEM)下观察,薄膜表面平整,薄膜生长结果良好。紫外光吸收测试结果表明,Mg掺杂β-Ga2O3薄膜对200nm以下紫外光强烈吸收,带隙超过4.9eV,对254nm紫外光非常敏感。电学性能测试结果表明,Mg掺杂β-Ga2O3薄膜光暗比超过40倍,响应速度快,其上升沿时间常数为10.33rt(28)s和28.84rt(28)s,下降沿时间常数为0.02dt(28)s,比β-Ga2O3薄膜具有更大的光暗比和更快的响应时间。(2)开发差分脉冲调制解调程序。使用matlab对常用调制方式的功率、带宽、传输容量等方面进行仿真,选择适合本系统的差分脉冲位置调制(DPPM)调制方式。使用Verilog HDL语言开发DPPM调制解调程序,该程序具有可靠性高、通信速率快、传输容量大等优点。该程序设计了多个通信速率,可以在不同的通信速率下测试探测器的性能。(3)设计并搭建基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)的紫外无线通信系统。使用场效应管(FET)设计了一种开关型紫外LED驱动电路,可以迅速控制恒流驱动的LED电路的通断。设计了信号处理电路,探测器信号经过放大后与阀值电压进行比较,可以减少噪声信号的影响。搭建成功基于β-Ga2O3薄膜的日盲型紫外通信系统,该系统可以对探测器性能进行测试验证,为探测器的实际应用提供了一个良好的平台。
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