1982 年 4 月— 6 月，英國和阿根廷之間爆發了馬爾維納斯群島戰爭。4 月 13 日夜間，英國攻擊阿根廷據守的最大據點斯坦利港。當時3000名英軍的所有槍支、火炮都配備有紅外夜視儀，能夠在黑夜中清楚地發現阿根廷軍目標。而阿根廷軍隊缺乏夜視裝備，不能有效地發現英軍目標，處境十分被動。最終，英國軍隊在夜視裝備的引導下，成功地攻下了斯坦利港據點，14000名阿根廷軍士不得不向英軍投降。這是一場由于夜視裝備優勢贏得的兵力懸殊的戰斗。紅外夜視儀是紅外光電探測器的一種具體應用，可以分為主動紅外夜視儀和被動紅外夜視儀兩大類，但兩者的基本原理都是光電探測。圖 1(a)，(b)分別是紅外夜視儀的實物圖和實際效果圖，現在已經廣泛裝備于各國軍隊，是軍隊夜間作戰的有力工具。
光是電磁波的一種表現形式，根據電磁波波長和頻率的不同，電磁波可以分為無線短波、紅外線、可見光、紫外線、X射線以及γ射線等波段，如圖 2所示。其中，紅外線是介于可見光和無線電波之間的波段。根據國際標準化組織(ISO20473)分類，紅外線又可以分為近紅外(波長范圍780 nm—3 μm)、中紅外(波長范圍3—50 μm)以及遠紅外(波長范圍50—1000 μm)。近紅外作為電磁波譜的重要組成部分，應用范圍十分廣泛，包括軍事上的航海、夜視、航空航天、武器探測以及民用的光通信、醫療成像、大氣探測、污染檢測以及氣象學等。
2 近紅外光電探測的發展歷史
1982 年 4 月— 6 月，英國和阿根廷之間爆發了馬爾維納斯群島戰爭。4 月 13 日夜間，英國攻擊阿根廷據守的最大據點斯坦利港。當時3000名英軍的所有槍支、火炮都配備有紅外夜視儀，能夠在黑夜中清楚地發現阿根廷軍目標。而阿根廷軍隊缺乏夜視裝備，不能有效地發現英軍目標，處境十分被動。最終，英國軍隊在夜視裝備的引導下，成功地攻下了斯坦利港據點，14000名阿根廷軍士不得不向英軍投降。這是一場由于夜視裝備優勢贏得的兵力懸殊的戰斗。紅外夜視儀是紅外光電探測器的一種具體應用，可以分為主動紅外夜視儀和被動紅外夜視儀兩大類，但兩者的基本原理都是光電探測。圖 1(a)，(b)分別是紅外夜視儀的實物圖和實際效果圖，現在已經廣泛裝備于各國軍隊，是軍隊夜間作戰的有力工具。
光是電磁波的一種表現形式，根據電磁波波長和頻率的不同，電磁波可以分為無線短波、紅外線、可見光、紫外線、X射線以及γ射線等波段，如圖 2所示。其中，紅外線是介于可見光和無線電波之間的波段。根據國際標準化組織(ISO20473)分類，紅外線又可以分為近紅外(波長范圍780 nm—3 μm)、中紅外(波長范圍3—50 μm)以及遠紅外(波長范圍50—1000 μm)。近紅外作為電磁波譜的重要組成部分，應用范圍十分廣泛，包括軍事上的航海、夜視、航空航天、武器探測以及民用的光通信、醫療成像、大氣探測、污染檢測以及氣象學等。
2 近紅外光電探測的發展歷史
1800年，英國科學家赫胥爾利用三棱鏡將太陽光分解為不同顏色的光，并使其照射在不同的水銀溫度計上測試加熱效果，發現位于紅光外側的那支溫度計升溫最快，由此發現了紅外線。1917年，美國科學家蓋斯首次利用光電導結構成功研制出了亞硫酸鉈紅外光子探測器。20世紀70年代，制冷型焦平面器件成為研究的熱點。制冷型焦平面探測器上排列著陣列化的感光元件，從遠處發射的紅外線經過光學系統成像在感光元件陣列上，感光元件將光信號轉換成電信號并加工處理，最終傳送到終端形成圖像。為了提高探測目標溫度和背景溫度之間的對比度，此類探測器需要制冷處理，稱之為第二代紅外探測技術。20 世紀 90 年代，紅外技術正在經歷第三次革命，以微測輻射熱計和熱釋電探測器為代表的非致冷紅外成像技術取得了重大突破。微測輻射熱計通常由惠斯通電橋組成，電橋的兩個臂是兩條相同的薄鉑條或者其他半導體材料。當其中的一條鉑條或者半導體材料受到微弱輻射的照射時，其電阻會發生微小的變化，通過檢測電阻的變化就可以計算出輻射量的大小。熱釋電探測器指的是能將溫度的變化轉換為電學信號的一類器件，由于紅外線的熱效應現象明顯，所以該類器件的光—熱—電轉化效率很高。隨著科學技術的不斷發展，現階段對近紅外光電探測器性能的要求更加嚴格，低功耗、高靈敏度、易于集成和多元陣列化成為衡量光電器件的關鍵參數。
3 近紅外光電探測的分類及原理
近紅外光電探測器根據不同的分類標準可以分為很多類型，常見的分類有：(1)按照探測的物理機制不同可以分為兩大類：基于各種光電效應的光子探測器和利用溫度變化實現探測的熱探測器；(2)按照探測器的空間分辨率不同，分為非成像型光電探測器和成像型光電探測器；(3)按照探測材料尺寸的不同，分為體材料探測器、薄膜材料探測器和納米材料探測器；(4)按照器件結構的不同，分為真空光電器件、光電導探測器、PN結探測器、PIN結光電探測器、雪崩二極管探測器、肖特基結探測器以及金屬—半導體—金屬結構探測器等。
光電效應又可以分為外光電效應和內光電效應。根據愛因斯坦光電效應方程式，當特定波長的光輻射到金屬表面時，金屬會吸收光子并發射電子，稱之為外光電效應。內光電效應指的是，當特定波長的光輻射與半導體相互作用時，半導體內部受束縛的電子受到激發，從而改變半導體導電性能的物理現象。熱電效應指的是受熱物體中的電子隨著溫度梯度的變化由高溫區往低溫區移動時，所產生的電荷或者電流堆積的一種現象。
基于外光電效應的近紅外光電探測器件一般多為真空光電器件，比如真空光電管、充氣光電管、光電倍增管、像增強管以及攝像管等。此類器件的優點是具有很高的探測靈敏度和很快的響應速度，非常適合探測微弱光信號以及快速脈沖弱光信號。但是缺點也很明顯，比如需要真空工作環境以及高壓系統，這使得器件體積較大、使用起來不夠靈活。另外，真空光電器件的性能還受到光陰極材料的限制。基于熱電效應的近紅外光電探測器利用近紅外線的熱效應來實現光—熱—電的轉換，所以該類光電探測器對波長的選擇性較差。另外近紅外線使得物體溫度變化需要一定的時間，因此該類探測器的響應速度較慢。相比于前兩種物理機制的光電探測器，基于內光電效應的近紅外光電探測器種類繁多，例如光敏電阻、光電池、光電二極管、光電三極管、光電晶體管等。此類器件的特點是結構簡單、體積小、探測靈敏度高、光譜選擇性好以及響應速度快。
目前，近紅外光電探測器的研究熱點主要是半導體納米材料光電探測器。所謂納米材料，指的是尺寸大小在 1—100 nm之間的材料。1 nm是10 億分之一米(10-9 m)，大約是人的頭發絲直徑(取值100 μm)的10萬分之一。納米材料的主要特點是尺寸小、表面能高、表面原子所占比例很大以及比表面積很大，因此具有和宏觀材料迥然不同的物理性質，包括表面效應、小尺寸效應、量子尺寸效應以及宏觀量子隧道效應。與基于體材料和薄膜材料的近紅外光電探測器相比，納米材料光電探測器的優勢表現在：(1)納米材料尺寸很小，符合光電子器件小型化、集成化的發展趨勢；(2)當納米材料的尺寸和與其相互作用的近紅外光的波長相比擬時，會引發一些很奇特的光電現象；(3)納米材料巨大的比表面積能夠吸收更多的近紅外輻射，這是將近紅外光轉化為電信號的基礎；(4)納米材料由于尺寸小使得探測器件中的電荷傳輸時間大大減少，這將在很大程度上提高探測器的響應速度；(5)納米材料的電阻大，其光電器件的暗電流一般能控制在納安級別甚至更小。
4 近紅外光電探測器的商品化產品
目前商業化的近紅外光電探測器主要以 Si基、Ge 基以及 InGaAs 基產品為主。根據近紅外光電探測器應用領域的不同，各類探測器性能的側重點也有所不同，大致分為高靈敏度探測器、快速響應探測器以及高探測率探測器等幾大類。北京敏光科技有限公司產品型號為LSSFPD-2.5的Si基近紅外光電探測器3 dB帶寬高達2.5 GHz，上升時間為 150 ps，十分適合高速探測領域。美國Thorlabs公司的Ge基近紅外光電探測器在10 V偏壓下，暗電流低至 0.3 nA，對應 1550 nm 波段的響應度為 0.85 A/W。該款探測器的噪聲等效功率低至 0.5 pW/Hz1/2，十分適合弱光的探測。德國First Sensor 公司的InGaAs基近紅外光電探測器在5 V 偏壓下的暗電流為 1 nA，對應 1550 nm 波段的響應度為 0.95 A/W。在 5 V 偏壓下，上升時間為15 ns，噪聲等效功率為0.2 pW/Hz1/2，結電容值為70 pF，該探測器的綜合性能十分優異。圖3是上述三家公司光電探測器的產品實物圖，分別為Si 基、Ge 基以及 InGaAs 基近紅外光電探測器。表1為各種近紅外光電探測器的性能參數對比。
5 近紅外光電探測器的應用領域
隨著信息技術的快速發展，人們對光纖通信的速度和容量的要求越來越高。相比于傳統的電纜通信，光纖通信具有信息容量大、傳播距離遠、信號質量高、抗電磁干擾能力強以及成本低等優勢。理論和實驗表明，波長為 850 nm、1310 nm以及1550 nm的近紅外光在光纖中傳輸損耗最小，因此這三種近紅外波段又稱為通信波段。光纖通信利用近紅外光在光纖中發生全發射的原理進行光信號的傳輸，主要由光發射機、光接收機、中繼器以及調制解調器等組成。其中，光接收機的基本原理就是光電探測。光纖通信系統在工作時，首先將要傳輸的信息通過調制器加載到高頻的光信號中。高頻光信號在光纖中經過長距離的傳輸可能會發生衰減，此時需要中繼器將衰減的高頻光信號重新放大到原先的水平以增加傳輸的距離，最后經過光接收機和解調器實現光電信號的轉換和信號的復原，就可以得到需要傳輸的原始信息。光纖通信系統要求光接收機的靈敏度高、響應速度快、噪聲小以及穩定可靠。