CN106788776A - 一种光电探测器及光电转换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光电探测器和应用该光电探测器进行光电转换的方法，应用于光通信接收系统中。本发明的光电探测器包括微电子芯片、偏置电压网络、和探测器芯片；微电子芯片将输入至光电探测器的第一偏置电压进行大小调节，得到第二偏置电压；第二偏置电压的值为当输入探测器芯片的光功率为光电探测器允许的最大值时的饱和偏置电压值；偏置电压网络用于对第二偏置电压进行处理，转换为电压大小不变、适用于所述探测器芯片的第三偏置电压，然后反向地加载到探测器芯片上；探测器芯片在第三偏置电压的驱动下将激光信号转换成电信号。本发明可以有效地调节反向加载在探测器芯片上的偏置电压大小，从而提高了光电探测器的工作效率。

Description

一种光电探测器及光电转换方法

技术领域

本发明属于光电子/微电子器件领域，更具体涉及一种用于光通信接收系统的具有电场优化性能的光电探测器及光电转换方法。

背景技术

光电探测器是光电子技术的核心部件，建立了光信息与电信号之间的联系，在生活、科研、军事等方面起着重要的作用，因此对光电探测器的研究引起越来越多的重视。光电探测器应用于光通信接收系统。现有的光电探测器是通过引脚从光通信接收系统引入偏置电压并传输至偏置电压网络，然后反向地加载到探测器芯片的正负极；接着，探测器芯片在偏置电压网络的作用下将耦合光纤传输的激光信号转换成电信号，传输给共面波导；最后由共面波导将电信号传输到管壳外面。通常，光通信接收系统提供的偏置电压是固定的，大都为3V。然而，不同的探测器芯片的工作特性存在差异，即不同的探测器芯片的最大响应度对应于不同的偏置电压。所以在固定电压条件下，探测器芯片不一定工作在最优状态。这种情况下，如果实际提供的固定偏置电压小于探测器芯片性能最优时所需的偏置电压，就会使探测器芯片的响应度减弱，光功率转换为光电流的线性区间减小，导致探测器芯片的饱和光功率变小，从而转换得到的电信号的功率也随之减小。尤其，当探测大功率激光信号时，由于探测器芯片的工作性能与输入的激光信号功率不匹配，大量光生载流子不能及时运输到探测器芯片的P、N极而在探测器芯片内部堆积，导致探测过程中容易出现误码扰码等现象。

发明内容

(一)要解决的技术问题

基于以上问题，本发明的主要目的在于提出一种电场优化的光电探测器及光电转换方法，以解决上述技术问题中的至少之一。

(二)技术方案

本发明的技术方案如下：

本发明提供了一种光电探测器包括微电子芯片、偏置电压网络、和探测器芯片；所述微电子芯片用于将输入至光电探测器的第一偏置电压进行大小调节，得到第二偏置电压，并将所述第二偏置电压传输至偏置电压网络；所述第二偏置电压的值为当输入探测器芯片的光功率为光电探测器允许的最大值时的饱和偏置电压值；所述偏置电压网络用于对所述第二偏置电压进行处理，转换为电压大小不变、适用于所述探测器芯片的第三偏置电压，然后反向地加载到探测器芯片上；所述探测器芯片在第三偏置电压的驱动下将激光信号转换成电信号。

所述微电子芯片包括调压模块；所述调压模块用于对所述第一偏置电压的大小进行调节；所述调压模块包括可调电阻。所述微电子芯片输出的第二偏置电压的范围是1V-12V。所述偏置电压网络对第二偏置电压进行处理包括滤波、隔断直流、和50Ω阻抗匹配中的至少之一。

所述光电探测器还包括共面波导，所述共面波导用于将所述探测器芯片转换得到的电信号传输至光电探测器外部；所述的共面波导阻抗为50Ω。还包括耦合光纤，所述耦合光纤用于传输所述激光信号至所述探测器芯片上；所述耦合光纤包括透镜光纤。还包括热沉，所述热沉用于散热。

本发明还提供了一种使用上述光电探测器进行光电转换的方法，包括以下步骤：

S1、微电子芯片将输入至光电探测器的第一偏置电压进行大小调节，得到第二偏置电压，并将所述第二偏置电压传输至偏置电压网络；

S2、偏置电压网络对对所述第二电压进行处理，转换为电压大小不变、适用于所述探测器芯片的第三偏置电压，然后反向地加载到探测器芯片上；

S3、探测器芯片在第三偏置电压的驱动下将激光信号转换成电信号。

(三)有益效果

1、本发明在光电探测器中加入微电子芯片，通过微电子芯片对输入光电探测器的固定偏置电压进行调节，可以有效地调节加载在探测器芯片上的偏置电压大小，从而提高了探测器芯片的工作效率，使光电探测器的线性工作范围增大，适用于光通信接收系统。

附图说明

图1是根据本发明一实施例的光电探测器结构示意图；

图2是根据本发明一实施例的光电探测器光电转换方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供了一种光电探测器及使用该光电探测器进行光电转换的方法。本发明提供的光电探测器包括微电子芯片、偏置电压网络、和探测器芯片。微电子芯片用于将输入至光电探测器的第一偏置电压进行大小调节，得到第二偏置电压，并将第二偏置电压传输至偏置电压网络。第二偏置电压的值为当输入探测器芯片的光功率为光电探测器允许的最大值时的饱和偏置电压值。偏置电压网络用于对第二偏置电压进行处理，转换为电压大小不变、适用于探测器芯片的第三偏置电压，然后反向地加载到探测器芯片上。探测器芯片在第三偏置电压的驱动下将激光信号转换成电信号。

第二偏置电压的大小是通过对探测器芯片预先单独测定确定的。测定时，探测器芯片的输入光功率是根据光电探测器所在的光通信接收系统所允许接收到的激光信号的最大功率进行选定。比如，一般光通信接收系统允许输入的最大光功率在10dBm附近，预先测定时就选择入射到探测器芯片的激光信号功率为10dBm。这样，在10dBm的固定输入光功率下，在一定范围内探测器芯片输出的光电流随着反向加载到探测器芯片上的偏置电压的增大而增大。而当偏置电压增大到某一值时，输出的光电流会达到饱和，不再随着偏置电压的增大而增大，此时的临界偏置电压值为探测器芯片在该最大光功率下的饱和偏置电压。该饱和偏置电压能够使光电探测器在光通信接收系统中达到最优工作状态，因此，将该饱和偏置电压的大小确定为第二偏置电压的大小。

本发明的光电探测器通过加入微电子芯片可以有效地调节第二偏置电压的大小，使最终反向地加载在探测器芯片上的第三偏置电压大小为探测器芯片工作时的最优偏置电压值，从而使探测器芯片工作时的光电流随输入光功率变化的线性工作范围增大，提高了探测器芯片的工作效率。调节探测器芯片的反向偏置电压实际上是改变了探测器芯片上的PN结中的电场分布，使PN结内空间电荷区长度增长以及空间电荷区的场强增强，从而使空间电荷区产生的光生载流子的运输能力大大增强，改善了探测器芯片的工作性能，降低了误码扰码的出现。

图1是根据本发明一实施例的光电探测器结构示意图。如图1所示，一实施例的光电探测器包括管壳1、热沉2、共面波导3、探测器芯片4、引脚5、微电子芯片6、偏置电压网络7、耦合光纤8。

管壳1安装在光通信接收系统中，管壳1为光电探测器其他部件的封装提供腔体，具有高频传输的性能。

热沉2安装在管壳里面，紧贴管壳下表面，用做共面波导的载体，并具有散热功能；热沉2材料的选择与管壳1、共面波导3的膨胀系数相关，热沉2材料的膨胀系数要与管壳1、共面波3的膨胀系数相近。

引脚5从光通信接收系统中引入第一偏置电压并传输至微电子芯片6；

微电子芯片6用于将第一偏置电压进行大小调节，得到第二偏置电压，并将第二偏置电压再输入至偏置电压网络7；其中，所述第二偏置电压的大小为对所述探测器芯片4预先测定的在选定的输入光功率下输出光电流达到最大时的电压。微电子芯片6包括调压模块；该调压模块用于对第一偏置电压的大小进行调节；该调压模块中包括可调电阻。微电子芯片输出的第二偏置电压的范围是1V-12V。

偏置电压网络7用于对第二偏置电压进行滤波、隔断直流和50Ω阻抗匹配等处理生成与第二偏置电压大小相同，与探测器芯片4工作相匹配的第三偏置电压，然后反向地加载到探测器芯片4上。

耦合光纤8用于传输激光信号至探测器芯片4上。耦合光纤8包括透镜光纤，增大光的耦合效率。

探测器芯片4在第三偏置电压的驱动下将激光信号转换成电信号，传输给共面波导3。

共面波导3用于从探测器芯片电极中引出电信号，并经过过渡传输线将电信号传输到管壳外部。共面波导3要满足阻抗匹配要求，一般要求其特征阻抗可以为50Ω。

本发明一实施例的光电探测器的工作流程如图2所示。本发明一实施例应用于光通信接收系统中，光通信接收系统为光电探测器提供的第一偏置电压固定为3V。本发明一实施例的光电探测器的工作流程包括：

S1、微电子芯片6将传输至光电探测器的第一偏置电压进行大小调节，得到第二偏置电压，并将所述第二偏置电压传输至偏置电压网络7。其中，输入至光电探测器的第一偏置电压经引脚5引入，然后经过管壳并传输至微电子芯片6。

S2、偏置电压网络7对第二偏置电压进行处理，转换为电压大小不变、适用于探测器芯片4的第三偏置电压，然后反向地加载到探测器芯片4上。偏置电压网络7对第二偏置电压的处理包括滤波、隔断直流、或50Ω阻抗匹配等。

S3、探测器芯片4在第三偏置电压的驱动下，将激光信号转换成电信号。其中，激光信号是由耦合光纤8从光通信发射系统接收并照射到探测器芯片4上。探测器芯片4转换得到的电信号接下来会传输给共面波导3，由共面波导3将电信号传输到探测器芯片外部。通常情况下，电信号将进入光通信接收系统中的电信号处理电路进行放大，通过低噪等处理完成电信号的恢复工作。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种光电探测器，其特征在于，包括微电子芯片、偏置电压网络、和探测器芯片；

所述微电子芯片用于将输入至光电探测器的第一偏置电压进行大小调节，得到第二偏置电压，并将所述第二偏置电压传输至偏置电压网络；所述第二偏置电压的值为当输入探测器芯片的光功率为光电探测器允许的最大值时的饱和偏置电压值；

所述偏置电压网络用于对所述第二偏置电压进行处理，转换为电压大小不变、适用于所述探测器芯片的第三偏置电压，然后反向地加载到探测器芯片上；

所述探测器芯片在第三偏置电压的驱动下将激光信号转换成电信号。

2.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述微电子芯片包括调压模块；所述调压模块用于对所述第一偏置电压的大小进行调节；所述调压模块包括可调电阻。

3.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述微电子芯片输出的第二偏置电压的范围是1V-12V。

4.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述偏置电压网络对第二偏置电压进行处理包括滤波、隔断直流、和50Ω阻抗匹配中的至少之一。

5.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，还包括共面波导，所述共面波导用于将所述探测器芯片转换得到的电信号传输至光电探测器外部；所述的共面波导阻抗为50Ω。

6.根据权利要求1所述的的光电探测器，其特征在于，还包括耦合光纤，所述耦合光纤用于传输所述激光信号至所述探测器芯片上；所述耦合光纤包括透镜光纤。

7.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，还包括热沉，所述热沉用于散热。

8.一种使用权利要求1所述的光电探测器进行光电转换的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、微电子芯片将输入至光电探测器的第一偏置电压进行大小调节，得到第二偏置电压，并将所述第二偏置电压传输至偏置电压网络；

S2、偏置电压网络对对所述第二电压进行处理，转换为电压大小不变、适用于所述探测器芯片的第三偏置电压，然后反向地加载到探测器芯片上；

S3、探测器芯片在第三偏置电压的驱动下将激光信号转换成电信号。