適用于可見(jiàn)光通信的光信號(hào)接收器件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種適用于可見(jiàn)光通信的光信號(hào)接收器件，包括：設(shè)置在前端的聚光透鏡、設(shè)置在后端的硅基光電二極管，以及設(shè)置在聚光透鏡與硅基光電二極管之間的紅色熒光粉層；其中，所述硅基光電二極管對(duì)可見(jiàn)光波段和近紅外波段有響應(yīng)，最大響應(yīng)波長(zhǎng)在600nm與640nm之間；所述紅色熒光粉層中的紅色熒光粉激發(fā)譜最高峰位于430nm和470nm之間，發(fā)射譜為峰值波長(zhǎng)位于600nm和640nm之間的紅光光譜。通過(guò)該器件可以彌補(bǔ)入射光和硅基光電二極管之間的光譜不匹配，顯著提高對(duì)藍(lán)光及近紫外光的信號(hào)強(qiáng)度。
【專利說(shuō)明】
適用于可見(jiàn)光通信的光信號(hào)接收器件
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及光電器件領(lǐng)域，尤其涉及一種適用于可見(jiàn)光通信的光信號(hào)接收器件。
【背景技術(shù)】
[0002]提升硅基光電二極管的近紫外及藍(lán)光光譜響應(yīng)一直是研究的熱點(diǎn)。硅基光電二極管的峰值響應(yīng)波長(zhǎng)一般位于近紅外或紅光波段。
[0003]近年來(lái)的可見(jiàn)光通信迫切需要藍(lán)光探測(cè)器以提高信噪比。而一般的高速硅基光電二極管在藍(lán)光波段及近紫外波段的靈敏度、響應(yīng)速率及帶寬嚴(yán)重不足。
[0004]鑒于此，有必要在光通信材料和器件領(lǐng)域進(jìn)行深入研究，來(lái)提高藍(lán)光波段及近紫外波段的探測(cè)信號(hào)強(qiáng)度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種適用于可見(jiàn)光通信的光信號(hào)接收器件，可以顯著提高對(duì)藍(lán)光及近紫外光的信號(hào)強(qiáng)度。
[0006]本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0007]—種適用于可見(jiàn)光通信的光信號(hào)接收器件，包括:設(shè)置在前端的聚光透鏡、設(shè)置在后端的硅基光電二極管，以及設(shè)置在聚光透鏡與硅基光電二極管之間的紅色熒光粉層；
[0008]其中，所述硅基光電二極管對(duì)可見(jiàn)光波段和近紅外波段有響應(yīng)，最大響應(yīng)波長(zhǎng)在600nm與640nm之間；所述紅色焚光粉層中的紅色焚光粉激發(fā)譜最高峰位于430nm和470nm之間，發(fā)射譜為峰值波長(zhǎng)位于600nm和640nm之間的紅光光譜。
[0009]所述紅色熒光粉層緊貼硅基光電二極管的窗口，且紅色熒光粉層的尺寸與硅基光電二極管窗口的尺寸相同。
[0010]所述紅色熒光粉層以半導(dǎo)體工藝濺鍍?cè)诠杌怆姸O管的窗口表面。
[0011]所述紅色熒光粉層中紅色熒光粉的載體為玻璃、環(huán)氧樹脂、硅樹脂或硅凝膠。
[0012]所述紅色熒光粉層的厚度為100微米-300微米。
[0013]所述娃基光電二極管包括:PIN型光電二極管或者是雪崩光電二極管，且外量子效率大于50%。
[0014]所述聚光透鏡為自由曲面型透鏡、半球透鏡或菲涅耳透鏡。
[0015]由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，基于紅色熒光粉層來(lái)提升光電二極管對(duì)近紫外光的響應(yīng)度、靈敏度，從而彌補(bǔ)入射光和硅基光電二極管之間的光譜不匹配，提高了信號(hào)強(qiáng)度;同時(shí)，紅色熒光粉層對(duì)硅基光電二極管頻率響應(yīng)帶寬的影響并不顯著。
【附圖說(shuō)明】
[0016]為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他附圖。
[0017]圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的適用于可見(jiàn)光通信的光信號(hào)接收器件的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種紅色熒光粉層與硅基光電二極管的剖面圖；
[0019]圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的另一種紅色熒光粉層與硅基光電二極管的剖面圖
[0020]圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種紅色熒光粉的激發(fā)譜和發(fā)射譜示意圖；
[0021]圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的帶或不帶紅色熒光粉層光電二極管對(duì)IMHz方波近紫外激光的接收響應(yīng)波形示意圖；
[0022]圖6為本發(fā)明實(shí)施例提供的帶或不帶紅色熒光粉層光電二極管對(duì)1MHz方波近紫外激光的接收響應(yīng)波形示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0024]圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的適用于可見(jiàn)光通信的光信號(hào)接收器件的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，其主要包括:設(shè)置在前端的聚光透鏡1、設(shè)置在后端的硅基光電二極管3，以及設(shè)置在聚光透鏡I與硅基光電二極管3之間的紅色熒光粉層2;
[0025]其中，所述硅基光電二極管3對(duì)可見(jiàn)光波段和近紅外波段有響應(yīng)，最大響應(yīng)波長(zhǎng)在600nm與640nm之間；所述紅色焚光粉層2中的紅色焚光粉激發(fā)譜最高峰位于430nm和470nm之間，發(fā)射譜為峰值波長(zhǎng)位于600nm和640nm之間的紅光光譜。
[0026]本發(fā)明實(shí)施例中，所述紅色熒光粉層2的厚度L為100微米-300微米，熒光粉的種類不限，只要在需要的光譜波段熒光粉的激發(fā)效率能大于50%。
[0027]本發(fā)明實(shí)施例中，所述紅色熒光粉層2緊貼硅基光電二極管3的窗口，且紅色熒光粉層2的尺寸與娃基光電二極管3窗口的尺寸相同。
[0028]本發(fā)明實(shí)施例中，所述硅基光電二極管3可以是PIN型光電二極管或者是雪崩光電二極管，且外量子效率大于50% ο ;也可以用娃基光電倍增管代替光電二極管。
[0029]本發(fā)明實(shí)施例中，所述聚光透鏡I為自由曲面型透鏡、半球透鏡或菲涅耳透鏡。
[0030]本發(fā)明實(shí)施例的上述方案中基于紅色熒光粉層2彌補(bǔ)入射光和硅基光電二極管3之間的光譜不匹配。同時(shí)，還通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較研究了紅色熒光粉層增強(qiáng)型硅基光電二極管的光波下轉(zhuǎn)換特性對(duì)近紫外光的頻率響應(yīng)的影響。結(jié)果表明:紅色熒光粉層能有效提升光電二極管對(duì)近紫外光的響應(yīng)度、靈敏度，并且對(duì)硅基光電二極管頻率響應(yīng)帶寬的影響并不顯著。此外，還可以通過(guò)優(yōu)化紅色熒光膠層的形狀和膠層熒光粉的濃度，針對(duì)具體應(yīng)用場(chǎng)景優(yōu)化探測(cè)器的外部量子效率及響應(yīng)靈敏度。另外，紅色熒光粉層也起著擴(kuò)散層的作用，可以顯著提高硅基光電二極管的光接收視場(chǎng)角。對(duì)于藍(lán)光，本發(fā)明的上述實(shí)施例也有同樣的作用。
[0031]本發(fā)明實(shí)施例中，所述紅色熒光粉層2中紅色熒光粉的載體為玻璃、環(huán)氧樹脂、硅樹脂或硅凝膠。所述紅色熒光粉層也可以以半導(dǎo)體工藝濺鍍?cè)诠杌怆姸O管的窗口表面。
[0032]如圖2所示，為本發(fā)明實(shí)施例提供的紅色熒光粉層與硅基光電二極管的剖面圖。其中，11是40微米-200微米厚度的紅色熒光粉層，12是封裝好的硅基光電二極管的收光窗口，13是硅基光電二極管實(shí)體。
[0033]如圖3所示，為本發(fā)明實(shí)施例提供的紅色熒光粉層與硅基光電二極管的剖面圖。圖3中硅基光電二極管為PIN型光電二極管;其中，101是PIN型光電二極管PN結(jié)中的N層，201是I層，301是P層，401是鎳金電極，501是硅基板，601是正電極，701是負(fù)電極，801是在窗口上濺鍍的20-50微米厚紅色熒光粉層。該結(jié)構(gòu)采用光電二極管晶元級(jí)的制作工藝，不僅保證了熒光層的質(zhì)量，也更適合現(xiàn)代化大規(guī)模量產(chǎn)。
[0034]以上為本發(fā)明實(shí)施例提供的適用于可見(jiàn)光通信的光信號(hào)接收器件的主要組成結(jié)構(gòu)。下面針對(duì)其原理進(jìn)行詳細(xì)介紹。
[0035]本發(fā)明實(shí)施例上述方案中，紅色熒光粉層固定在硅基光電二極管的窗口，通過(guò)波長(zhǎng)下轉(zhuǎn)換提高硅基光電二極管對(duì)近紫外波段的響應(yīng)。在驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，方波或正弦波調(diào)制的波長(zhǎng)375nm的近紫外激光以15mW的平均光功率和100 %的調(diào)制深度正向瞄準(zhǔn)硅基光電二極管圓形窗口的正中心。光電二極管的圓形探測(cè)窗口直徑為0.8mm。其630nm處的探測(cè)靈敏度為0.45A/W，375nm處的探測(cè)靈敏度為0.13A/W。實(shí)驗(yàn)中激光光束直徑不超過(guò)0.8_。近紫外激光激發(fā)三菱化學(xué)的氮化物紅色熒光粉(SrCa)AlSiN3:Eu2+，如圖4所示，紅色熒光粉的主發(fā)射波長(zhǎng)位于630nm，對(duì)375nm的近紫外激發(fā)量子效率是460nm處激發(fā)譜峰值的85-90%。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明紅色熒光粉膠層能有效提升光電二極管對(duì)近紫外光的響應(yīng)度、靈敏度，并且對(duì)硅基光電二極管頻率響應(yīng)帶寬的影響并不顯著。
[0036]此外，還通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較研究了有紅色熒光膠層和沒(méi)有紅色熒光膠層兩種結(jié)構(gòu)下光電二極管的響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)裝置中，D5q尺寸為11微米的紅色熒光粉末以0.5 %的重量比混合在德國(guó)瓦克的SilGel 612硅凝膠中，室溫8小時(shí)吸濕固化后均勻涂于日本濱松公司的硅基PIN結(jié)構(gòu)光電二極管S10783的無(wú)色透明環(huán)氧樹脂表面。熒光膠層的厚度在0.5mm左右。發(fā)送端使用375nm近紫外激光器(模擬調(diào)制帶寬可以到200MHz)，分別發(fā)送IMHz、1MHz的方波以及掃頻正弦波信號(hào)。接收端由被熒光粉膠層覆蓋的硅基PIN光電二極管后面接入放大電路模塊構(gòu)成，放大后的信號(hào)通過(guò)示波器分析方波波形。該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的放大電路對(duì)接收信號(hào)電壓取了負(fù)號(hào)。
[0037]圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果(一):帶或不帶紅色熒光粉層光電二極管對(duì)IMHz方波近紫外激光的接收響應(yīng)波形。(a)帶熒光粉層并不加反向偏壓；(b)帶熒光粉層并加2V反向偏壓；(C)帶熒光粉層并加3V反向偏壓；(d)不加熒光粉并不加反向偏壓。
[0038]圖6為本發(fā)明實(shí)施例提供比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果(二):帶或不帶紅色熒光粉層光電二極管對(duì)1MHz方波近紫外激光的接收響應(yīng)波形。(a)帶熒光粉層并不加反向偏壓；(b)帶熒光粉層并加2V反向偏壓；(C)帶熒光粉層并加3V反向偏壓；(d)不加熒光粉并不加反向偏壓。
[0039]如圖5-圖6所示，紅色熒光粉層對(duì)光電二極管的響應(yīng)有顯著的影響。帶發(fā)光層的光電二極管對(duì)以方波調(diào)制的近紫外激光響應(yīng)包含兩部分:(I)對(duì)直射或被熒光粉顆粒散射的375nm近紫外光的響應(yīng)，(2)對(duì)熒光粉受激發(fā)射的630nm紅光的響應(yīng)。一般的熒光粉的受激發(fā)射3dB頻率響應(yīng)帶寬在ΙΟΚΗζ-ΙΜΗζ之間。比較圖5(a)和圖5(d)我們可以很清楚地看到，由于紅色熒光粉的較小頻率響應(yīng)帶寬，導(dǎo)致接收信號(hào)不能回到零點(diǎn)。在本實(shí)驗(yàn)中采用的熒光粉3dB帶寬明顯小于1MHz。即使這樣，比較圖6(a)和圖6(d)，我們也可以發(fā)現(xiàn)紅色熒光粉膠層可以提升S10783光電二極管對(duì)1MHz方波調(diào)制近紫外激光響應(yīng)的信號(hào)峰峰值3dB左右。這種紅色熒光增強(qiáng)光電二極管頻譜響應(yīng)的內(nèi)在機(jī)制將來(lái)需要實(shí)驗(yàn)結(jié)合理論模型進(jìn)一步分析。初步分析最可能的因素主要有兩個(gè):(I)熒光粉響應(yīng)1MHz激發(fā)光發(fā)射的紅光導(dǎo)致的電信號(hào)不僅抵消了近紫外光散射吸收導(dǎo)致的電信號(hào)損失，還有所增益；(2)熒光粉層作為一個(gè)發(fā)光擴(kuò)散層，有效緩解了光電二極管接收激光信號(hào)時(shí)需要的精確瞄準(zhǔn)。實(shí)際進(jìn)行比較測(cè)試時(shí)，當(dāng)沒(méi)有熒光粉膠層時(shí)，激光光斑很難真正與光電二極管圓形窗口對(duì)準(zhǔn)。我們用藍(lán)光LED也比較測(cè)試過(guò)兩種結(jié)構(gòu)的光電二極管的響應(yīng)，并得到了相似的結(jié)果。
[0040]另外也可以看到，不加反向偏壓時(shí)的波形最好，加上反向偏壓后，光電二極管后的放大電路引入頻率為50MHz且振幅較大的抖動(dòng)。當(dāng)方波頻率增大后，受50MHz抖動(dòng)的影響增大，波形嚴(yán)重失真。經(jīng)過(guò)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行濾波等處理，從上升沿時(shí)間可以看到，即使加了熒光粉層，接收端帶寬依舊可以到幾十兆赫茲。這主要是因?yàn)闊晒夥鄣臐舛缺容^小，光電二極管的高頻響應(yīng)信號(hào)主要來(lái)源于被散射或直射的375nm近紫外光。進(jìn)一步研究熒光粉膠層的濃度和形狀對(duì)紅色熒光體增強(qiáng)型硅基光電二極管的頻譜響應(yīng)的影響將是很有必要的。當(dāng)熒光粉濃度變大時(shí)，更多的近紫外光被轉(zhuǎn)化為紅光，同時(shí)也有更多的近紫外光被散射，實(shí)際上相當(dāng)于改變了光電探測(cè)器的外部量子效率、光譜響應(yīng)曲線和頻率響應(yīng)曲線。
[0041]以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種適用于可見(jiàn)光通信的光信號(hào)接收器件，其特征在于，包括:設(shè)置在前端的聚光透鏡、設(shè)置在后端的硅基光電二極管，以及設(shè)置在聚光透鏡與硅基光電二極管之間的紅色熒光粉層； 其中，所述硅基光電二極管對(duì)可見(jiàn)光波段和近紅外波段有響應(yīng)，最大響應(yīng)波長(zhǎng)在600nm與640nm之間；所述紅色焚光粉層中的紅色焚光粉激發(fā)譜最高峰位于430nm和470nm之間，發(fā)射譜為峰值波長(zhǎng)位于600nm和640nm之間的紅光光譜。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于可見(jiàn)光通信的光信號(hào)接收器件，其特征在于，所述紅色熒光粉層緊貼硅基光電二極管的窗口，且紅色熒光粉層的尺寸與硅基光電二極管窗口的尺寸相同。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種適用于可見(jiàn)光通信的光信號(hào)接收器件，其特征在于，所述紅色熒光粉層以半導(dǎo)體工藝濺鍍?cè)诠杌怆姸O管的窗口表面。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種適用于可見(jiàn)光通信的光信號(hào)接收器件，其特征在于，所述紅色熒光粉層中紅色熒光粉的載體為玻璃、環(huán)氧樹脂、硅樹脂或硅凝膠。5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種適用于可見(jiàn)光通信的光信號(hào)接收器件，其特征在于，所述紅色熒光粉層的厚度為100微米-300微米。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于可見(jiàn)光通信的光信號(hào)接收器件，其特征在于，所述娃基光電二極管包括:PIN型光電二極管或者是雪崩光電二極管，且外量子效率大于50%。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于可見(jiàn)光通信的光信號(hào)接收器件，其特征在于，所述聚光透鏡為自由曲面型透鏡、半球透鏡或菲涅耳透鏡。
【文檔編號(hào)】H01L31/107GK106024967SQ201610316023
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月11日
【發(fā)明人】李上賓, 徐正元, 黃博揚(yáng)
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)