CN101075360A - 用于金融票证真伪鉴别的可见近红外接发光电子集成器件 - Google Patents

Abstract

一种用于金融票证真伪检测的可见近红外接发光电子集成器件。本发明以光学频率上转换或下转换信号识别和检测理论为基础，将检测所用的光谱发射芯片、光信号接收芯片、滤波器件和后继电路集成到一起，并针对光谱发射芯片的发射波长和信号接收芯片的波长响应峰值进行设计。提高了鉴别器件性能的稳定性和精确度。

Description

用于金融票证真伪鉴别的可见近红外接发光电子集成器件

【技术领域】本发明属于票证防伪检测的应用技术领域，特别涉及光学频率转化防伪检测方法的应用。本发明具体涉及防伪器件中的光发射芯片、光接收芯片以及芯片的集成化。

【背景技术】光学频率转换理论是采用光谱发射器件以特定的波长激发被测物(光学频率转换材料)的表面产生另一个特定波长的光学信号。由于激发光源波长都是对于人眼不可见，所以具有良好的隐秘性、唯一性，而且还具有使用寿命长、材料制备技术难度高等特点，所以已广泛应用于防伪领域，如附加在金融证券或有效票证上作为防伪标记；或添加于塑料薄膜中，从而可以方便的与现有的激光全息防伪标识结合在一起，起到综合防伪的效果。

所以针对其开发出一套有效、准确、快速的检测方法对于实现这一防伪功能起着极为重要的作用。检测过程为：由半导体激光器发射出特定波长的激光，激发待测样品表面产生另一个特定波长的光学信号，这个信号经过光学滤波器件，由光电接收器件接收，最后由专用信号处理电路进行数据处理和识别。

现有的检测系统中光谱发射器件中心波长、出光功率随温度上升分别会发生红移和强度降低的问题，很大程度上影响光学频率转换效率，不利于接收和信号处理；现有的光电接收器件的响应时间和光谱响应峰值不能很好地满足光学频率转换后的波长要求，通常采用窄带滤波的光滤波器件进行峰值迁移，但这样做必然要损失光信号，不利于弱信号探测。而且测量方法通常采用分离系统，不利于该检测方法的产品化；分离系统光能量损耗较大，抗外界干扰能力弱，且不利于温度补偿。

【发明内容】本发明的目的是解决现有技术存在的上述不足，提供一种用于金融票证真伪鉴别的可见近红外接发光电子集成器件。以便实现光谱发射芯片、光电接收芯片和光滤波片的优化组合和匹配，构成微型化系统模块，提高抗干扰能力；也可以非常方便地作为核心检测部件集成于相应的检测装置中。

本发明提供的用于金融票证真伪鉴别的可见近红外接发光电子集成器件，包括：

用于发射激发票证上的防伪材料、实现光学频率转化的激光的光发射芯片；

用于控制光发射芯片发射的激光的控制电路；

使光发射芯片发出的激光能够反射到检测小孔位置并照射在被测物上的反射镜；

用于将被测物激发出的特定信号光波聚焦、并滤除原频率的杂散光、只保留信号光的光学装置；

用于接收上述光学装置聚焦滤波后的信号光、并转换成电信号的光接收芯片；

用于将光接收芯片转换的电信号放大并驱动信号指示灯的信号放大判决电路；

以及用于判决被测物真伪的信号指示灯。

所述的光发射芯片的构成包括：用于发射激光的光有源器件、用于激光光束的准直聚焦的光波导和波导透镜、半导体基底上的用于安装光有源器件的调准平面和热沉的台地。所述的光有源器件为用于发射出980纳米波长激光的、具有压应力的渐变折射率单量子阱结构的脊波导半导体激光器。光波导和波导透镜，为通过叩焊芯片技术安装在硅台地上并与光有源器件光学连接的掩埋型二氧化硅波导及透镜。

所述的光接收芯片为生长在砷化镓基底的磷砷化镓混合晶光电二极管，并且热沉在半导体基底上。

所述的用于将被测物激发出的特定信号光波聚焦、并滤波的光学装置为滤波片，采用QB21光学玻璃上镀硫化锌-氟化镁增反膜系，并制成平凸透镜。

上述的光发射芯片的控制电路为使光发射芯片工作在脉冲工作方式的脉冲电路，包括脉冲信号发生电路，和与之连接的脉冲信号放大电路组成。

信号放大判决电路包括光电流放大电路，经起信号判决作用的发光二极管与之连接的复位电路组成。

上述的光电子集成器件中的光发射芯片、控制电路、反射镜、光学装置、光接收芯片和信号放大判决电路集成在同一半导体基底上。

整个光电子集成器件可以单独封装使用，也可以作为核心检测部件集成于相应的检测装置中。

本发明的优点和积极效果：

本发明采用专门优化设计的光谱发射和接收芯片，能保证发射光芯片微温升，波长不漂移，经过光学频率转换后的光波长与接收芯片敏感波长相吻合；一体化设计还可以大幅降低光能损耗，从而减小器件发热。

本发明提供的专用光谱发射芯片，为具有压应力的渐变折射率单量子阱结构的脊波导半导体激光器，其设计及制作经过优化，获得较小的阈值电流，且能得到较小的远场发散角，尤其是垂直远场发散角，保证有器件有良好的温度特性。

本发明提供的专用光接收芯片，其光谱响应和被测物的发射信号光一致，解决了原来采用窄带滤波的光滤波器件进行峰值迁移以致损失光信号的问题。

根据本发明的一体化设计，采用反射法检测票证上的防伪信息。通过集成在同一基底上的信号放大处理电路，触发指示灯判决被测物的真伪。

【附图说明】

图1为光电子集成器件的剖面结构示意图。

图2a为光发射芯片的安装原理图的立体图，图2b为光发射芯片的安装原理图的主视图。

图3为光发射芯片的制作安装图。

图4为作为光有源器件的脊波导半导体激光器的模型二维横截面结构图。

图5为光接收芯片的结构图。

图6为光发射芯片的控制电路原理图。

图7为光接收芯片的放大判决电路原理图。

其中：1.光发射芯片、2.硅台地、3.硅(半导体)基底、4.折光棱镜或反射镜、5.光接收芯片、6.信号指示灯、7.滤波片(光学装置、平凸透镜)、8.被测物、9.光电有源器件、10.Si基PLC区、11.电子线路区、12.组装区、13.电极、14.焊料、15.SiO2波导、16.波导芯层、17.波导透镜、18.CCD显微镜、19.调准标记、20.AuSn焊料垫片、21.红外光。

【具体实施方式】

实施例1：光电子集成器件

如图1所示，本发明提供的光电子集成器件采用一体封装结构，包括集成在同一半导体(如硅)基底3上的光发射芯片1、折光棱镜4、滤波片(光学装置)7即平凸透镜、光接收芯片5和信号指示灯6，以及用于控制光发射芯片发射的激光的控制电路(图中未画出)，和用于将光接收芯片转换的电信号放大并驱动信号指示灯的信号放大判决电路(图中未画出)。

检测方法：

如图1所示，该器件在顶端处开有小孔，使得光发射芯片发出的980nm激光能通过折光棱镜4反射到小孔位置，并照射在被测物8上，被测物紧贴于器件外表面，利于检测。当激光照射到被测物上，如果被测物为真，由于光学频率转换效应，会激发出特定可见光波长的信号光波。改变了频率的信号光波和原频率的杂散光都会反射回探测器方向。反射光被图1中的平凸透镜7聚焦并滤波，滤除原频率的光，只保留信号光。信号光落入光接收芯片5被转换成电信号，经过放大后，驱动信号指示灯6，灯亮显示被测物为真。此外，指示灯上有复位按钮，按下，指示灯熄灭，可重新检测。

考虑到检测时，被测物和器件之间有可能不完全贴紧，外界的自然光也有可能进入器件中被探测到，从而会影响检测结果。因此，将光发射芯片的工作方式设置为脉冲工作方式，其驱动电路如图6所示，包括脉冲信号发生部分，和与之连接的脉冲信号放大部分组成(图中电容控制通过LD的电流通断，从而控制LD的开关)。从而被测物激发的信号光也为脉冲光。如果自然光和信号光相混合，进入光探测器后转换成光电流，自然光对应的是直流电流，信号光对应的是交流电流。如图7所示的信号处理电路(信号放大判决电路)，包括光电流放大电路，经起指示灯作用的发光二极管与之连接的复位电路组成，该电路设计了隔直通交的电路。这样，最终排除了外界自然光可能造成的干扰。

另外，出于对器件温度特性的要求，尽可能减小工作发热功率，也应该采用如图6所示的驱动电路，使器件工作在脉冲方式下。

实施例2：光发射、接收芯片的制作

如图2所示的半导体Si基底上的右侧，是一个包括掩埋型SiO2基波导，其外端制作了波导透镜，用于激光光束的准直聚焦。在图2所示的Si基底上的电子线路区，根据图6和图7所示的电路图制作了Si上的厚膜电路。

在Si基底的中心部位制作一台地2，它起着安装光有源器件芯片的调准平面和热沉作用。将光有源器件，即脊波导半导体激光器通过叩焊芯片技术安装在Si台地上并与SiO2波导进行光学连接。

关于光有源器件的设计和制作，其模型二维横截面结构图如图4所示。根据量子阱结构、生长材料和器件参数的选择和优化，该有源器件为采用具有压应力的渐变折射率单量子阱结构的半导体激光器，为一脊波导器件。材料生长按从下到上的顺序依次为n型GaAs缓冲层，厚度为0.3μm，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3；n型Ga_0.51In_0.49P包覆层，厚度为1.5μm，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3；有源层没有掺杂，包括上下光限制层及量子阱和势垒。量子阱采用具有1.33％压应力，厚度为7nm。光限制层采用GRIN-SCH结构；然后是有源层上面为p型Ga_0.51In_0.49P包覆层，厚度为1.5μm，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3；最后是p型的GaAs接触层，厚度为0.1μm，掺杂浓度为3×10¹⁸cm^-3，并与金属电极形成欧姆接触。整个元件结构为了形成脊波导结构，须用蚀刻方法把元件的左右两旁蚀刻成脊状结构，蚀刻深度从p型的GaAs接触层到p型的Ga_0.51In_0.49P包覆层1.3μm处。另外，元件脊波导宽度为3μm，两旁为3.5μm，谐振腔长800μm，前后镜面反射率为32％。激光器的阈值电流5.56mA，垂直远场发散角即半高全宽(FWHM)为31.9°。

图3为在Si台地上安装光有源器件的细节。为了精密调准，需要制作调准标记。将调准标记与Au电极及AuSn焊料精确地淀积在SiO2钝化层覆盖的Si台地上。波导调准标记的精度可达±1μm，光器件的片上调准标记值的制造精度为±0.5μm。如图3所示，这些调准标记的调节是通过观察穿透衬底和光器件芯片的红外光进行调准的。垂直方向调准可通过调节光器件芯片放在焊料表面的高度来完成，规定垂直方向调准精度为±0.5μm。

通过同样的方式，可以将图5所示的光接收芯片通过叩焊的方式准确固定在Si台地的相应位置上。

光接收芯片为生长在砷化镓基底的磷砷化镓混合晶光电二极管，其结构图如图5所示。光电二极管结深控制在0.1μm左右，光敏面约为4平方毫米。芯片的制作选用n-GaAs衬底，其上汽相外延n-GaAsP，控制磷组分为0.4左右，表面采用Zn浅扩散成0.1μm的pn结。正面蒸发Al膜光刻出Al电极。背面用AuGeNi形成背面电极。关键在于制作浅pn结，结深控制0.1μm。P区掺杂浓度Na＝1×10¹⁶cm^-3，N区采用Te掺杂，浓度为2×10¹⁷cm^-3。

光接收芯片的响应峰值在600nm附近，与需探测的信号光波段相一致。接收到的光信号转换为光电流后，经过如图7所示的放大电路放大约400倍，然后驱动指示灯亮。

实施例3：滤波透镜的制作

如图1所示，光接收芯片上方有一平凸透镜。其材质为QB21光学玻璃，为蓝色玻璃，对560nm的光波透过率有80％以上，对680nm以上的光波透过率＜4.5％。在透镜的平面一面镀增反膜，采用ZnS-MgF的1/4波长膜系，当层数达15层时，对980nm的反射率可达99.6％，配合QB21光学玻璃，其透射率可减小至0.018％。半波带宽FWHM(nm)：10～20，波长迁移＜0.1nm/℃。设计透镜的通光孔径为90％，直径为12.7mm。透镜的焦距为5+0.05mm。

平凹透镜通过装置固定在光接收芯片上方，将原频率的杂散光滤除，透过射入的改变了频率的信号光波，保留信号光，使其被光接收芯片接收。

Claims (9)

1.一种用于金融票证真伪鉴别的可见近红外接发光电子集成器件，其特征在于，包括：

用于发射激发票证上的防伪材料、实现光学频率转化的激光的光发射芯片；

用于控制光发射芯片发射的激光的控制电路；

使光发射芯片发出的激光能够反射到检测小孔位置并照射在被测物上的反射镜；

用于将被测物激发出的特定信号光波聚焦、并滤除原频率的杂散光、只保留信号光的光学装置；

用于接收上述光学装置聚焦滤波后的信号光、并转换成电信号的光接收芯片；

用于将光接收芯片转换的电信号放大并驱动信号指示灯的信号放大判决电路；

以及用于判决被测物真伪的信号指示灯。

2.根据权利要求1所述的光电子集成器件，其特征在于光发射芯片的构成包括：用于发射激光的光有源器件、用于激光光束的准直聚焦的光波导和波导透镜、半导体基底上的用于安装光有源器件的调准平面和热沉的台地。

3.根据权利要求2所述的光电子集成器件，其特征在于，光有源器件为用于发射出980纳米波长激光的、具有压应力的渐变折射率单量子阱结构的脊波导半导体激光器。

4.根据权利要求2所述的光电子集成器件，其特征在于，光波导和波导透镜，为通过叩焊芯片技术安装在硅台地上并与光有源器件光学连接的掩埋型二氧化硅波导及透镜。

5.根据权利要求1所述的光电子集成器件，其特征在于光接收芯片为生长在砷化镓基底的磷砷化镓混合晶光电二极管，并且热沉在半导体基底上。

6.根据权利要求1所述的光电子集成器件，其特征在于，用于将被测物激发出的特定信号光波聚焦、并滤波的光学装置为滤波片，采用QB21光学玻璃上镀硫化锌-氟化镁增反膜系，并制成平凸透镜。

7.根据权利要求1所述的光电子集成器件，其特征在于，光发射芯片的控制电路为使光发射芯片工作在脉冲工作方式的脉冲电路，包括脉冲信号发生电路，和与之连接的脉冲信号放大电路组成。

8.根据权利要求1所述的光电子集成器件，其特征在于，信号放大判决电路包括光电流放大电路，经发光二极管与之连接的复位电路组成。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的光电子集成器件，其特征在于，上述光发射芯片、控制电路、反射镜、光学装置、光接收芯片和信号放大判决电路集成在同一半导体基底上。

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