適用于可見光通信的光信號接收器件的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種適用于可見光通信的光信號接收器件，包括：設置在前端的聚光透鏡、設置在后端的硅基光電二極管，以及設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可見光波段和近紅外波段有響應，最大響應波長在600nm與640nm之間；所述紅色熒光粉層中的紅色熒光粉激發譜最高峰位于430nm和470nm之間，發射譜為峰值波長位于600nm和640nm之間的紅光光譜。通過該器件可以彌補入射光和硅基光電二極管之間的光譜不匹配，顯著提高對藍光及近紫外光的信號強度。
【專利說明】
適用于可見光通信的光信號接收器件
技術領域
[0001]本發明涉及光電器件領域，尤其涉及一種適用于可見光通信的光信號接收器件。
【背景技術】
[0002]提升硅基光電二極管的近紫外及藍光光譜響應一直是研究的熱點。硅基光電二極管的峰值響應波長一般位于近紅外或紅光波段。
[0003]近年來的可見光通信迫切需要藍光探測器以提高信噪比。而一般的高速硅基光電二極管在藍光波段及近紫外波段的靈敏度、響應速率及帶寬嚴重不足。
[0004]鑒于此，有必要在光通信材料和器件領域進行深入研究，來提高藍光波段及近紫外波段的探測信號強度。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是提供一種適用于可見光通信的光信號接收器件，可以顯著提高對藍光及近紫外光的信號強度。
[0006]本發明的目的是通過以下技術方案實現的:
[0007]—種適用于可見光通信的光信號接收器件，包括:設置在前端的聚光透鏡、設置在后端的硅基光電二極管，以及設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可見光波段和近紅外波段有響應，最大響應波長在600nm與640nm之間；所述紅色焚光粉層中的紅色焚光粉激發譜最高峰位于430nm和470nm之間，發射譜為峰值波長位于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體工藝濺鍍在硅基光電二極管的窗口表面。
[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]由上述本發明提供的技術方案可以看出，基于紅色熒光粉層來提升光電二極管對近紫外光的響應度、靈敏度，從而彌補入射光和硅基光電二極管之間的光譜不匹配，提高了信號強度;同時，紅色熒光粉層對硅基光電二極管頻率響應帶寬的影響并不顯著。
【附圖說明】
[0016]為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域的普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他附圖。
[0017]圖1為本發明實施例提供的適用于可見光通信的光信號接收器件的結構示意圖；
[0018]圖2為本發明實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為本發明實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為本發明實施例提供的一種紅色熒光粉的激發譜和發射譜示意圖；
[0021]圖5為本發明實施例提供的帶或不帶紅色熒光粉層光電二極管對IMHz方波近紫外激光的接收響應波形示意圖；
[0022]圖6為本發明實施例提供的帶或不帶紅色熒光粉層光電二極管對1MHz方波近紫外激光的接收響應波形示意圖。
【具體實施方式】
[0023]下面結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明的保護范圍。
[0024]圖1為本發明實施例提供的適用于可見光通信的光信號接收器件的結構示意圖。如圖1所示，其主要包括:設置在前端的聚光透鏡1、設置在后端的硅基光電二極管3，以及設置在聚光透鏡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對可見光波段和近紅外波段有響應，最大響應波長在600nm與640nm之間；所述紅色焚光粉層2中的紅色焚光粉激發譜最高峰位于430nm和470nm之間，發射譜為峰值波長位于600nm和640nm之間的紅光光譜。
[0026]本發明實施例中，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效率能大于50%。
[0027]本發明實施例中，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]本發明實施例中，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]本發明實施例中，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]本發明實施例的上述方案中基于紅色熒光粉層2彌補入射光和硅基光電二極管3之間的光譜不匹配。同時，還通過實驗比較研究了紅色熒光粉層增強型硅基光電二極管的光波下轉換特性對近紫外光的頻率響應的影響。結果表明:紅色熒光粉層能有效提升光電二極管對近紫外光的響應度、靈敏度，并且對硅基光電二極管頻率響應帶寬的影響并不顯著。此外，還可以通過優化紅色熒光膠層的形狀和膠層熒光粉的濃度，針對具體應用場景優化探測器的外部量子效率及響應靈敏度。另外，紅色熒光粉層也起著擴散層的作用，可以顯著提高硅基光電二極管的光接收視場角。對于藍光，本發明的上述實施例也有同樣的作用。
[0031]本發明實施例中，所述紅色熒光粉層2中紅色熒光粉的載體為玻璃、環氧樹脂、硅樹脂或硅凝膠。所述紅色熒光粉層也可以以半導體工藝濺鍍在硅基光電二極管的窗口表面。
[0032]如圖2所示，為本發明實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體。
[0033]如圖3所示，為本發明實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是負電極，801是在窗口上濺鍍的20-50微米厚紅色熒光粉層。該結構采用光電二極管晶元級的制作工藝，不僅保證了熒光層的質量，也更適合現代化大規模量產。
[0034]以上為本發明實施例提供的適用于可見光通信的光信號接收器件的主要組成結構。下面針對其原理進行詳細介紹。
[0035]本發明實施例上述方案中，紅色熒光粉層固定在硅基光電二極管的窗口，通過波長下轉換提高硅基光電二極管對近紫外波段的響應。在驗證實驗中，方波或正弦波調制的波長375nm的近紫外激光以15mW的平均光功率和100 %的調制深度正向瞄準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窗口直徑為0.8mm。其630nm處的探測靈敏度為0.45A/W，375nm處的探測靈敏度為0.13A/W。實驗中激光光束直徑不超過0.8_。近紫外激光激發三菱化學的氮化物紅色熒光粉(SrCa)AlSiN3:Eu2+，如圖4所示，紅色熒光粉的主發射波長位于630nm，對375nm的近紫外激發量子效率是460nm處激發譜峰值的85-90%。驗證實驗結果表明紅色熒光粉膠層能有效提升光電二極管對近紫外光的響應度、靈敏度，并且對硅基光電二極管頻率響應帶寬的影響并不顯著。
[0036]此外，還通過實驗比較研究了有紅色熒光膠層和沒有紅色熒光膠層兩種結構下光電二極管的響應。實驗裝置中，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瓦克的SilGel 612硅凝膠中，室溫8小時吸濕固化后均勻涂于日本濱松公司的硅基PIN結構光電二極管S10783的無色透明環氧樹脂表面。熒光膠層的厚度在0.5mm左右。發送端使用375nm近紫外激光器(模擬調制帶寬可以到200MHz)，分別發送IMHz、1MHz的方波以及掃頻正弦波信號。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成，放大后的信號通過示波器分析方波波形。該實驗設計的放大電路對接收信號電壓取了負號。
[0037]圖5為本發明實施例提供比較實驗結果(一):帶或不帶紅色熒光粉層光電二極管對IMHz方波近紫外激光的接收響應波形。(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為本發明實施例提供比較實驗結果(二):帶或不帶紅色熒光粉層光電二極管對1MHz方波近紫外激光的接收響應波形。(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，紅色熒光粉層對光電二極管的響應有顯著的影響。帶發光層的光電二極管對以方波調制的近紫外激光響應包含兩部分:(I)對直射或被熒光粉顆粒散射的375nm近紫外光的響應，(2)對熒光粉受激發射的630nm紅光的響應。一般的熒光粉的受激發射3dB頻率響應帶寬在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帶寬，導致接收信號不能回到零點。在本實驗中采用的熒光粉3dB帶寬明顯小于1MHz。即使這樣，比較圖6(a)和圖6(d)，我們也可以發現紅色熒光粉膠層可以提升S10783光電二極管對1MHz方波調制近紫外激光響應的信號峰峰值3dB左右。這種紅色熒光增強光電二極管頻譜響應的內在機制將來需要實驗結合理論模型進一步分析。初步分析最可能的因素主要有兩個:(I)熒光粉響應1MHz激發光發射的紅光導致的電信號不僅抵消了近紫外光散射吸收導致的電信號損失，還有所增益；(2)熒光粉層作為一個發光擴散層，有效緩解了光電二極管接收激光信號時需要的精確瞄準。實際進行比較測試時，當沒有熒光粉膠層時，激光光斑很難真正與光電二極管圓形窗口對準。我們用藍光LED也比較測試過兩種結構的光電二極管的響應，并得到了相似的結果。
[0040]另外也可以看到，不加反向偏壓時的波形最好，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。當方波頻率增大后，受50MHz抖動的影響增大，波形嚴重失真。經過對接收信號進行濾波等處理，從上升沿時間可以看到，即使加了熒光粉層，接收端帶寬依舊可以到幾十兆赫茲。這主要是因為熒光粉的濃度比較小，光電二極管的高頻響應信號主要來源于被散射或直射的375nm近紫外光。進一步研究熒光粉膠層的濃度和形狀對紅色熒光體增強型硅基光電二極管的頻譜響應的影響將是很有必要的。當熒光粉濃度變大時，更多的近紫外光被轉化為紅光，同時也有更多的近紫外光被散射，實際上相當于改變了光電探測器的外部量子效率、光譜響應曲線和頻率響應曲線。
[0041]以上所述，僅為本發明較佳的【具體實施方式】，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明披露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。
【主權項】
1.一種適用于可見光通信的光信號接收器件，其特征在于，包括:設置在前端的聚光透鏡、設置在后端的硅基光電二極管，以及設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可見光波段和近紅外波段有響應，最大響應波長在600nm與640nm之間；所述紅色焚光粉層中的紅色焚光粉激發譜最高峰位于430nm和470nm之間，發射譜為峰值波長位于600nm和640nm之間的紅光光譜。2.根據權利要求1所述的一種適用于可見光通信的光信號接收器件，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.根據權利要求1或2所述的一種適用于可見光通信的光信號接收器件，其特征在于，所述紅色熒光粉層以半導體工藝濺鍍在硅基光電二極管的窗口表面。4.根據權利要求1或2所述的一種適用于可見光通信的光信號接收器件，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、環氧樹脂、硅樹脂或硅凝膠。5.根據權利要求1或2所述的一種適用于可見光通信的光信號接收器件，其特征在于，所述紅色熒光粉層的厚度為100微米-300微米。6.根據權利要求1所述的一種適用于可見光通信的光信號接收器件，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.根據權利要求1所述的一種適用于可見光通信的光信號接收器件，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】H01L31/107GK106024967SQ201610316023
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月11日
【發明人】李上賓, 徐正元, 黃博揚
【申請人】中國科學技術大學