光电耦合器件在低地球轨道航天器中的运用评估

王 芸，石志成，赵筱琳，杨 榕

（1.北京空间机电研究所，北京 100094；2.中国空间技术研究院，北京 100094）

0 引言

光电耦合器件（以下简称光耦）是一种通过电—光—电转换来实现信号隔离和传输的常用元器件。器件内部集成了LED 将接收的电信号转换为光信号，然后通过光电耦合部分将其耦合至光电二极管或光电三极管收集，在多数情况下，通过内部集成的放大级来实现信号的进一步放大输出[1]。常见光耦分为非线性光耦和线性光耦，本文讨论非线性光耦特性。由于采用了以发光器件的“光”为媒介的电平信号传输，实现了输入输出的电气绝缘，因此光耦具备隔离效果好、噪声低、体积小等特点，在需要实现电平信号高稳定隔离和传输的场合中运用广泛，近年来也较常用于航天器中。

然而研究发现，光耦类器件是对空间环境最为敏感的电子器件之一。空间环境对其性能的影响覆盖器件内部的LED 部分、光电耦合部分以及集成放大电路部分，可能导致器件瞬态失效和缓慢性能衰退[1-5]。其中，瞬态失效主要源于单粒子瞬态效应（SET）造成的器件瞬时输出异常，可通过后级滤波等手段得到很大程度的抑制，在此不进行详述。航天器在轨工作期间可维护性受限，因而必须根据应用于航天器的光耦的自身特点及其所处的空间环 境对其性能缓慢衰退的形式及程度进行充分的分析评估。

本文拟根据航天器可靠性要求进行光耦的运用评估研究：首先，量化分析不同轨道空间辐照情况，比较引发空间电离效应和非电离效应的空间环境粒子注量水平；之后对光耦内部各部分受辐照影响造成性能缓慢衰退的情况分别进行分析，比较不同部分和不同工艺的辐照敏感度；最后以3 种典型光耦为例开展地面辐照试验验证，并对其在低地球轨道遥感类载荷产品中的验证情况进行总结。分析、试验及验证结果可作为低地球轨道航天器中光耦的设计和选用的参考。

1 空间环境粒子注量量化分析

航天器运行的轨道空间环境除含有少量低能粒子的等离子体环境外，还会经受地球内辐射带的质子、电子和少量的重离子辐射，以及地球外辐射带的电子辐射。此外，在太阳活动高年，太阳宇宙射线中包含的大量高能质子也可能对航天器产生影响。空间带电粒子入射到半导体材料中，会引起电离效应和非电离效应，对半导体器件造成损伤，影响航天器的功能和性能。

电离总剂量效应为辐射粒子的电离作用产生 的一种累积效应，常用比授予能来衡量，单位为rad(Si)，即在1 kg 硅材料中沉积0.01 J 的能量[6]。电离总剂量效应会导致半导体器件的阈值电压、静态功耗、时间参数等属性发生变化。非电离效应是指因空间高能粒子或辐射造成的次级粒子通过碰撞传递给半导体内部原子核大量的动能，造成原子核被撞击移位，而形成半导体晶格缺陷，因此又称位移损伤效应。晶格缺陷会造成光电类器件半导体内部少数载流子寿命和扩散长度变化，从而影响光电流传输效率。位移损伤常用非电离能损（NIEL）来衡量，单位为MeV·cm2/g。

空间环境粒子注量的量化分析需根据航天器轨道高度和寿命周期内太阳活动情况等数据，通过粒子能谱、粒子能通量等计算得出。将电子和质子注量水平作为评估电离辐照强度的因素，将质子注量作为评价位移效应的指标。运用AE8MIN、AP8MIN和JPL1991 太阳耀斑模型，考虑3 mm（120 mil）等效铝厚度屏蔽，获得低地球轨道（500 km/28°）和地球同步轨道（35 780 km/0°）电离总剂量和位移损伤等效注量结果如表1所示[7-8]，可见，可引起空间电离总剂量效应的年平均辐射粒子注量，地球同步静止轨道为低地球轨道的40 余倍，而引起位移损伤的粒子注量差异仅2 倍。

表1 低地球轨道和地球同步静止轨道的辐射注量 Table1 Radiation dose of LEO and GEO

因此，那些轨道穿过辐射带或轨道靠近辐射带边缘的航天器所受辐射环境恶劣，需要具备更强的抗辐射能力；而位于2000 km 以下的低地球轨道的航天器所处辐射环境相对平稳。

2 光耦内部各部分辐射敏感度分析

光电耦合器件是一种混合集成器件，其内部典型结构见图1[1]。

图1 典型光电耦合器件示意图 Fig.1 Schematic diagram of a typical optocoupler

空间辐射对光耦的影响主要体现在：1）光耦内部LED 衰减导致发光量降低；2）光耦内部光电二极管或光电三极管的光电探测部分少数载流子寿命缩短，导致光电子收集效率降低；3）光耦内部放大部分增益衰减导致放大级效率降低。由于光耦内部各部分的特性差异较大，加之不同厂家的设计、工艺、材料不同，所以评价光耦内部辐照敏感度时，应充分考虑光耦类型、使用电路（器件偏置条件）以及辐射环境等因素，结合工艺及结构开展分析。

2.1 光耦电流传输效率量化分析

电流传输效率（CTR）用来量化表征光耦将LED 输入电流转换为光电探测部件的光电流的转换效率，定义为光电探测部分的输出电流Ⅰc与LED 的输入电流ⅠF的比值。CTR 变化能够反映光耦内部LED 和光电探测两个部分受辐射影响后的共同衰减程度。

CTR 大小与工艺有关，一般为0.05%到0.2%，如700 nm GaAsP 工艺，可实现转换效率为0.1%。实验表明，采用880 nm AlGaAs Amphoterically 掺杂工艺的光耦较其他工艺的CTR 更高，能到0.3%左右[2]。理论上，CTR 越大，光耦内部产生同样大小光电流需要的前级驱动电流越小。

光耦内部LED 因辐射衰减，光子转换效率降低；另，辐射影响光电探测部件的探测效率，使光电流减小。这两个因素都可导致CTR 降低。但讨论CTR 降低与器件失效之间的关系，还需要考虑使光耦内部放大部分产生开/断电平的电流容差。若光电探测部分能够为光耦内部放大部分提供比其导通所需大得多的电流，则CTR 的小幅降低可能不会影响光耦器件的整体性能。

2.2 光耦内部LED 辐射敏感度分析

如因LED 的电—光转换效率降低影响，使内部光电流小于光电探测部件开启门限，则会导致器件失效[3]。

光耦内部集成的LED 器件几乎不受空间电离总剂量效应影响，但位移损伤效应对其影响却非常显著。造成LED 输出衰减的原理为：由于入射粒子引起晶格缺陷，形成非辐射复合中心，与生成光子的辐射复合过程竞争半导体内载流子，导致少数载流子的寿命缩短，电—光转换率降低。LED 发光功率与辐照通量之间的关系[3]为

式中：Ⅰ0为初始光通量；Ⅰ为辐照后的光能量；τ0和τ分别为辐照前和辐照后少数载流子的寿命；K*为衰减常数，取决于半导体材料和辐射场的相互作用；Φ为辐照粒子通量；指数n与损伤机理相关，取决于器件工艺。实验证明，对于Amphoterically掺杂工艺，n为2/3；对于同质异构结LED 工艺，n为0.8～1.1。

由式(1)可见，当τ0K*Φ显著＞1 时，辐照后少数载流子寿命缩短，导致光输出量减小。当辐照粒子通量Φ一定，要减小τ0K*，可通过减小τ0来实现。这意味着制造工艺上采用发射区重掺杂，或电路设计上使LED 在大电流密度下工作，则能够获得较低的辐射敏感度[2,9]。

LED 对位移损伤效应的敏感程度与其设计和制造工艺密切相关。比对研究了几种不同工艺LED，发现：Amphoterically Si 掺杂的GaAs LED比GaAsP LED 对位移损伤效应的敏感程度更高；GaAsP LED与Amphoterically 掺杂的AlGaAs LED相比，同样是使用Amphoterically 掺杂工艺的衰减最大。多个辐照试验显示，AlGaAs LED 比其他工艺的对辐射更加敏感[4-5,9]。

2.3 光电探测部分辐射敏感度分析

光电探测部分接收到光耦内部LED 发出的光子，形成光电流，完成光—电转换。实现光电探测常用光电二极管或光电三极管，不同厂家在器件设计制造中一般会根据自身情况选用其一。文献[10]报道对几种典型光电二极管和光电三极管进行了Gamma 电离总剂量辐照实验，得到光电二极管抗电离辐照能力高于光电三极管的普遍结论：在总剂量104krad(Si)辐照量级以下，光电二极管的转换效率约衰减1.5～3 倍，而光电三极管的输出衰减能够达到几个数量级；在大于104krad(Si)辐照量级下，光电二极管和光电三极管都急剧衰减。在开断时间上，辐照后光电三极管的开关速度下降了5～10 倍，而光电二极管只有非常微弱的减小。

试验显示光电二极管对位移损伤效应敏感程度同样低于光电三极管。大剂量的粒子辐照导致光电二极管转换效率衰减1 个数量级，而相同剂量会导致光电三极管衰减3～4 个数量级。

2.4 光耦内部放大部分辐射敏感度分析

由于光耦内部集成放大部分的结构不同，空间辐照环境对其影响的差异较大，但主要表现在对增益的影响和对漏电流的影响上。在此讨论常用作非线性光耦内部放大部分的3 种结构，即普通双极型三极管结构、高速逻辑电路放大结构以及MOSFET放大结构。

普通双极型三极管结构光耦是一种基本形式的光耦。在电离效应影响下，三极管漏电流会增大。50 krad(Si)辐照下，漏电流几乎会增大1 个数量级。虽然典型的光耦漏电流较小，多为nA 级，但由于 光耦类器件个体间差异离散性较大，也会出现个别器件辐照后漏电流远大于平均水平的情况。位移损伤效应会对普通光耦的双极型三极管增益有一定影响，但这种影响较小。

对于内部集成有逻辑放大电路的光耦，其放大部分受位移损伤效应的影响更是大大降低。目前已有的试验数据中，此类光耦中表现最好的为6N134，即HCPL-6631。

3 种常见放大结构中，MOSFET 型光耦对电离总剂量辐射最为敏感，随着电离辐照剂量增大，漏电流增大。总剂量增大还会导致此类光耦内部集成M O S F E T 开启的门电压降低，降低幅度为 -0.095 V/krad(Si)，这个数据与普通N 沟道MOSFET分立元件的衰减类似[11]。

3 地面辐照试验及结果分析

上述分析可见，不同材料、工艺的光耦对空间 辐射有不同的适应性。结合航天产品运用需求，选取3 种具有代表性的非线性光耦作为对象开展地面试验分析，评估此类器件运用于特定辐照环境下的可行性。

3.1 试验器件特性介绍

3 种具备典型结构的光耦器件分别为基本型光耦4N55、高速光耦HCPL-6631 以及功率MOSFET光耦HSSR-7111。3 种光耦的原理如图2所示，特性参数见表2。

图2 三种光耦的原理 Fig.2 The principle of three kinds of optocouplers

表2 三种光耦的特性 Table2 Characteristics of three kinds of optocouplers

4N55 的内部结构相对简单，其中的LED 部分采用了GaAsP 700 nm 工艺。

HCPL-6631 是一种高速光耦，采用逻辑门电路连接肖特基箝位晶体管作为放大部分，以获得器件10 Mbit/s 左右的信号传输速率。其内部LED 工艺与4N55 相同。

HSSR-7111 是一种具备特殊结构的小型功率驱动光耦。采用AlGaAs 880 nm Amphoterically 掺杂工艺LED，由光电二极管耦合后，驱动内部MOSFET 输出。为实现MOSFET 0.8～1.6 A 的驱动电流，需要较长的MOSFET 驱动电压建立时间，因此器件信号传输速率较另2 种光耦慢，上升/下降时间为1 ms 左右。

3.2 辐照试验及结果

基于HCPL-6631 型光耦，国内开展了电离总剂量辐照试验。采用60Co γ 射线源，选择30、60、100 krad(Si)共3 个累积剂量点下，按照辐照剂量率 ＜10 rad(Si)/s、剂量变化率＜5%的条件进行。结果显示：

1）随着辐照剂量的增加，相同输入电流下，光电二极管的转换效率虽然有所下降，但下降比例仅为辐照前的1%～2%，此环节的变化对光耦整体性能的影响很小。

2）在输入光功率一定时，辐照剂量的增加会导致光电二极管开启阶段的输出电流降低，但随着光功率的逐步增加，输出电流接近饱和状态，此时不同的辐照强度对输出电流的影响不大。

3）在2 mA 以下的输入电流下，随着辐照剂量的增加，光耦的CTR 不断减小。随着输入电流逐渐增大，不同辐照剂量对光耦CTR 变化的影响变得不明显。

国外的研究机构亦对上述3 种不同内部结构的光耦开展过辐照试验验证工作[5,9,11]，获得如下结果：

1）在LED 受辐照影响的试验中，电离总剂量辐照表明，经100 krad(Si)电离总剂量辐照，4N55和HCPL-6631 两类器件的LED 性能衰减小于10%； 位移损伤效应试验表明，质子辐照导致使用AlGaAs 880 nm 工艺的HSSR-7111 光耦的LED 部分性能衰减，引起器件导通时间延长，在200 MeV，在5×1010p/cm2辐照后，HSSR-7111 驱动1 A 负载完全导通时间由约0.2 ms 增大到8 ms，1.1×1011p/cm2辐照后，30 ms 则只能打开70%；使用GaAsP 700 nm 工艺的4N55 和HCPL-6631 器件内部LED部分的性能衰减为原来的85%。

2）3 种光耦都使用了光电二极管作为光电探测部分，电离总剂量试验中观察到104krad(Si)辐照量级下，光耦的CTR 衰减了1/3～2/3。

3）在电离总剂量对光耦放大部分的影响试验中，4N55 所使用的普通双极型三极管增益在 100 krad(Si)下降约15%；高速光耦HCPL-6631 由于内部放大部分的逻辑门结构特点，对电离辐照影响的敏感度很低。HSSR-7111 内部采用等同于普通N 沟道MOSFET 的芯片集成，因此表现出与普通MOSFET 相似的电离总剂量辐照敏感性，开启门电压随辐照剂量以-0.095 V/krad(Si)降低；漏电流随总剂量辐照增大，在25 krad(Si)剂量下观察到 25 mA 漏电流。位移损伤效应对MOSFET 的影响不明显。

可见，国内与国外的辐照验证试验结果相似。

3.3 结果分析

1）4N55 和HCPL-6631 的LED 采用了对辐照较不敏感的GaAsP 工艺，而HSSR-7111 采用了转换效率更高、但对辐照更为敏感的AlGaAs 工艺。从辐射造成LED 衰减的风险上来看，HSSR-7111要大于另外2 种器件。这在辐照试验中得到了 验证。

2）对于光电探测部分，即便是采用基本形式的4N55，也使用了光电二极管替代传统的光电三极管。光电二极管的设计从总剂量辐照的敏感程度以及辐照后器件的开断速度变化上都优于光电三极管，一定程度上提高了器件的抗辐照能力。

3）对于后级放大电路，3 种光耦各有特点。4N55采用普通双极型三极管作为放大部分，理论上会受到电离总剂量辐射和位移损伤效应的一定影响。HCPL-6631 采用逻辑门电路集成探测并传输到肖特基箝位晶体管上，该设计在同类器件中对辐射的敏感度最低。HSSR-7111 内部集成小功率MOSFET，电离总剂量效应会导致MOSFET 漏电流增大。

4 在轨应用验证情况

机理分析和地面辐照试验证实，空间电离总剂量辐射效应和非电离（位移）损伤效应会对光耦内部各部分的性能造成一定的影响。对于确定的内部结构工艺，通过电路设计选取适当的器件偏置参数，能够在一定程度上降低空间辐射对光耦造成的影响。以4N55 器件为例，其典型应用电路如图3所示。

图3 4N55 器件典型应用电路 Fig.3 Typical application circuit of 4N55 device

相同的输入电流情况下，随着位移效应增大，转换到后级三极管基极的输入电流将减小，经三极管放大后流过负载上拉电阻RL的电流也将减小，因此在电压Vcc一定的情况，光耦导通时输出的低电平的幅值将增大。当幅值增大到后级逻辑电路判决门限时，将导致逻辑输出错误，出现误码。因此，在进行电路参数选取时，提供给光耦的输入电流应设计在允许范围内的偏上限为宜。另外，RL的阻值选取也是合理使用光耦的一个重要环节：首先应该保证光耦在截止和导通2 种状态下输出的高低电平能够符合后级逻辑电路的判别范围；其次要考虑上拉电阻大小对光耦输出信号速率的影响，尤其是在对信号占空比有严格要求的使用场合。

不同空间环境下，不同类型光耦对辐照的敏感度差异很大。依据上述设计原则，考量低地球轨道环境下此类器件的可靠性，进行4N55、HCPL-6631以及HSSR-7111 这3 种典型光耦在遥感卫星载荷分系统的在轨应用验证，具体情况见表3。

表3 典型光耦器件在轨应用验证情况 Table3 On-orbit application and verification of typical optocouplers

在轨应用验证说明，虽光耦的性能会受到空间辐照环境和非电离效应的影响，但经过合理的参数设计和适当的降额，上述3 类光耦能够很好地满足低地球轨道航天领域的应用需求。

5 结束语

本文分别讨论了非线性光耦内部LED、光电探测部分以及集成放大部分在不同辐照环境影响下的表现，对地面辐照试验以及低地球轨道下的在轨验证情况进行了分析说明，可为其他在轨飞行任务应用此类器件提供参考。要注意的是，光电耦合器件由于其构造的特殊性和对空间辐射环境的敏感性，在航天领域使用时还须进行综合应用评估。不同的运行轨道高度、不同的太阳活动年的辐照差异、不同的电路设计参数、不同的功用、器件间的个体差异，以及整星、设备的屏蔽效果，都会影响到对光电耦合器件使用可靠性的评估效果。

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