CN110767754A - 一种光电探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光电探测器，光电探测器包括管壳、制冷器、光纤和单光子雪崩光电二极管芯片，管壳内设有密封的容纳腔，制冷器和单光子雪崩光电二极管芯片均位于容纳腔内；单光子雪崩光电二极管芯片组装在制冷器上；光纤穿设于管壳，光纤与单光子雪崩光电二极管芯片的光敏面平行设置，光纤靠近光敏面的一端具有斜端面，光纤内的信号光经斜端面全反射后与单光子雪崩光电二极管芯片的光敏面耦合。通过将制冷器与单光子雪崩光电二极管芯片设置在管壳内，单光子雪崩光电二极管芯片通过载体组装在制冷器上，对管壳进行封装，使封装后的管壳具有制冷功能，提高了制冷器的制冷效率，缩小了光电探测器的体积。
Description
技术领域
本发明涉及探测器，特别涉及一种集成制冷的光电探测器。
背景技术
随着量子保密通信、3D激光雷达成像、生物荧光检测等领域的迅速发展，对能实现超微弱光探测的光电探测器需求日渐增强。其中，基于半导体技术的雪崩光电二极管芯片由于成本低、体积小、无需超低温制冷、易于工程化应用，已获得广泛应用。为获得更好的性能，一般需要对雪崩光电二极管芯片进行制冷。目前雪崩光电二极管芯片主要采用无制冷同轴封装。具体地，将芯片的光敏面设置在光纤的延长线方向上，光纤的耦合端面和光敏面相对设置以组成同轴器件。使用时，需要将这种同轴器件安装在制冷器上，再将制冷器和同轴器件整体密封在密封腔中，这种结构的探测器的制冷器负载大，功耗高，因而需要为散热和隔热设计提供更多的空间，造成探测器体积较大。而且，这种整体密封的技术难度较高。由于此外，为了尽可能短的距离实现与电路板的安装，通常电路板也需要安装在密封腔中，进一步增大了探测器的体积和操作的困难程度。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种光电探测器。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
本发明实施例提供了一种光电探测器，所述光电探测器包括管壳、制冷器、光纤和单光子雪崩光电二极管芯片，所述管壳内设有密封的容纳腔，所述制冷器和所述单光子雪崩光电二极管芯片均位于所述容纳腔内；
所述单光子雪崩光电二极管芯片组装在所述制冷器上；
所述光纤穿设于所述管壳，所述光纤与所述单光子雪崩光电二极管芯片的光敏面平行设置，所述光纤靠近所述光敏面的一端具有斜端面，所述光纤内的信号光经所述斜端面全反射后与所述单光子雪崩光电二极管芯片的光敏面耦合。
上述方案中，所述光电探测器还包括载体，所述载体包括第一载体和第二载体；所述第一载体组装在所述制冷器上，所述第二载体组装在所述第一载体上；
所述单光子雪崩光电二极管芯片组装在所述第二载体上，且位于所述第一载体和所述第二载体之间；
所述第二载体上设有通光孔，所述单光子雪崩光电二极管芯片的光敏面朝向所述通光孔设置。
上述方案中，所述光电探测器还包括引脚，所述引脚位于所述管壳上，所述单光子雪崩光电二极管芯片与相应的所述引脚连接。
上述方案中，所述光电探测器还包括与所述单光子雪崩光电二极管芯片连接的第一电路布线；
所述第一电路布线位于所述第二载体上，或所述第一电路布线位于所述第一载体和所述第二载体上；
所述第一电路布线与相应的所述引脚相连接。
上述方案中，所述光电探测器还包括测温元件，所述测温元件组装在所述制冷器上；或，所述测温元件组装在所述第一载体或所述第二载体上。
上述方案中，所述光电探测器还包括测温元件；所述载体还包括第三载体，所述第三载体组装在所述制冷器上，所述第三载体与所述第一载体间隔设置；所述测温元件组装在所述第三载体上。
上述方案中，所述光电探测器还包括与所述测温元件连接的第二电路布线，所述第二电路布线位于所述第三载体上，所述第二电路布线与相应的所述引脚连接。
上述方案中，所述测温元件与所述引脚连接。
上述方案中，所述光电探测器还包括位于所述光纤上的支撑区域，所述光纤通过所述支撑区域与所述管壳连接。
上述方案中，所述光电探测器还包括连接头，所述连接头与位于所述容纳腔外的所述光纤连接；和/或
所述容纳腔通过气密封装的方式进行密封。
本发明实施例提供了一种光电探测器，通过将制冷器与单光子雪崩光电二极管芯片设置在管壳内，单光子雪崩光电二极管芯片组装在制冷器上，对管壳进行封装，使封装后的管壳具有制冷功能，提高了制冷器的制冷效率，缩小了光电探测器的体积。再者，本发明实施例中，光纤与单光子雪崩光电二极管芯片的光敏面平行设置，两者采用平行耦合的方式，不仅方便了光电探测器的组装，还进一步减小了光电探测器的体积。
附图说明
图1为本发明实施例中光电探测器一个可选的结构示意图，其中以剖视图的方式示意性地显示了管壳以及容纳腔中各部件的结构；
图2为本发明实施例中光电探测器的容纳腔和位于容纳腔内部各部件的俯视图；
图3为图2中A处局部立体放大图；
图4为图2中载体的结构示意图；
图5为图4中载体的B向视图；
图6为本发明实施例中斜端面和单光子雪崩光电二极管芯片之间的位置关系示意图。
附图标记：
管壳10；容纳腔11；通孔12；引脚13；制冷器20；测温元件30；载体40；第一载体41；第二载体42；通光孔43；光纤50；斜端面51；连接头52；支撑区域53；单光子雪崩光电二极管芯片60；第三载体70。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或者位置关系为基于附图1所示的方位或位置关系。、“内”、“外”为基于容纳腔11的方位或位置关系。
若无特殊说明，本发明实施例中术语“组装”方式包括共晶焊、电阻焊、胶粘、压焊等各种手段实现的分立元件之间的固定或相对位置的固定，“连接”是指通过倒装焊、导电胶粘结、电路布线、压焊等各种手段实现的电连接或者是机械连接，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
本发明实施例提供了一种光电探测器，光电探测器包括管壳10、制冷器20、光纤50和单光子雪崩光电二极管芯片60，管壳10内设有密封的容纳腔11，制冷器20和单光子雪崩光电二极管芯片60均位于容纳腔11内；单光子雪崩光电二极管芯片60组装在制冷器20上；光纤50穿设于管壳10，光纤50与单光子雪崩光电二极管芯片60的光敏面平行设置，光纤50靠近光敏面的一端具有斜端面51，光纤50内的信号光经斜端面51全反射后与单光子雪崩光电二极管芯片60的光敏面耦合。
制冷器20与单光子雪崩光电二极管芯片60一同封装在容纳腔11内，提高了制冷器20对单光子雪崩光电二极管芯片60的制冷效果，减小了光电探测器的体积。制冷器20优选为热电制冷器20，例如：三级热电制冷器20。
本发明实施例采用单光子雪崩光电二极管芯片60，相对于雪崩光电二极管芯片的线性模式，单光子雪崩光电二极管芯片60的盖格(Geiger)模式具有更高的有效倍增效果，能够对更微弱的单光子信号进行探测。
如图1至图3所示，通过将光纤50的端面加工为斜面，即光纤50靠近单光子雪崩光电二极管芯片60的一端具有斜端面51，使光纤50内部的信号光经斜端面51反射后改变原有传输方向，转向朝向单光子雪崩光电二极管芯片60的光敏面射出。这种耦合方式可避免采用激光焊接的方式进行单光子雪崩光电二极管芯片60和光纤50的耦合固定工艺，省去了激光焊接组装工艺中使用的支架，进一步减小了光电探测器的体积，简化了耦合固定工艺，降低了组装成本。
为了保证耦合效果，具体地，如图3和图6所示，其中，图6中箭头指向代表信号光的传输方向。斜端面51自光纤50的一端向背离单光子雪崩光电二极管芯片60的方向倾斜，倾斜的角度优选为43～54°，优选的倾斜角度为45°。其中，倾斜的角度指斜端面51与光纤51纵向之间的夹角α。斜端面51位于单光子雪崩光电二极管芯片60的光敏面沿竖直方向的投影范围内。如图3所示，斜端面51位于光敏面的正上方。
在本发明的一些实施例中，光电探测器还包括位于光纤50上的支撑区域53，光纤50通过支撑区域53与管壳10连接。由于光纤50机械强度较差，不方便组装。通过设置支撑区域53，提高了光纤50的机械强度，使光纤50能够以需要的形态，方便地与管壳10进行组装。如图3所示，管壳10上设有与容纳腔11相通的通孔12，光纤50通过通孔12穿设于管壳10，支撑区域53固定了光纤50位于容纳腔11内的部分。非限制地，支撑区域53为在光纤50表面形成的金属层所代表的区域，亦称金属化区域。
非限制地，如图1所示，光电探测器还包括连接头52，连接头52与位于容纳腔11外的光纤51连接。光信号经连接头52进入容纳腔11内。连接头52用于实现光电探测器与外接设备的连接。可以理解的是，位于容纳腔11外部的光纤51一端也可以不设置连接头52。
进一步地，光电探测器还包括载体40，单光子雪崩光电二极管芯片60通过载体40间接地组装在制冷器20上。载体40为热的良导体，以便在单光子雪崩光电二极管芯片60和制冷器20之间传递热量，并方便单光子雪崩光电二极管芯片60的安装。载体40包括但不限于陶瓷载体或塑料载体。例如：陶瓷载体为氧化铝或氮化铝。
在本发明的一些实施例中，载体40包括第一载体41和第二载体42；第一载体41组装在制冷器20上，第二载体42组装在第一载体41上；单光子雪崩光电二极管芯片60组装在第二载体42上，且位于第一载体41和第二载体42之间；第二载体42上设有通光孔43，单光子雪崩光电二极管芯片60的光敏面朝向通光孔43设置。
信号光自单光子雪崩光电二极管芯片60背部的光敏面入射，经由单光子雪崩光电二极管芯片60正面电极的反射作用加强对信号光的吸收。同时将单光子雪崩光电二极管芯片60隐藏于第一载体41和第二载体42之间，可以有效屏蔽管壳10等高温原件黑体辐射产生的噪声光。加强了单光子雪崩光电二极管芯片对信号光的吸收，进一步提高了单光子雪崩光电二极管芯片60对信号光的响应。
非限制地，如图4和图5所示，第一载体41的横截面为大致的U型，U型结构的第一载体41更便于安装，第二载体42组装在第一载体41的开口上，单光子雪崩光电二极管芯片60贴附在第二载体42的下表面，且单光子雪崩光电二极管芯片60的光敏面朝向通光孔43，并与之同心。U型结构的第一载体41更容易加工，而且还避免了与第二载体42围合形成封闭空间，使单光子雪崩光电二极管芯片60产生的热量更容易在容纳腔11内扩散，提高了对单光子雪崩光电二极管芯片60的散热效果。
进一步地，光电探测器还包括引脚13，引脚13位于管壳10上，引脚13与单光子雪崩光电二极管芯片60连接。如图1和图2所示，光纤50部分位于容纳腔11外，部分位于容纳腔11内，光纤50内部的光信号通过斜端面51与芯片60的耦合传递给芯片60，芯片60将光信号转换为电信号后，由引脚13向容纳腔11外传输。
在本发明的一些实施例中，光电探测器还包括与单光子雪崩光电二极管芯片60连接的第一电路布线，第一电路布线位于第二载体42上，或第一电路布线位于第一载体41和第二载体42上，且第一电路布线与相应的引脚13相连接。
非限制地，第一电路布线与单光子雪崩光电二极管芯片60的电极连接，第一电路布线可以位于第二载体42的上表面和下表面，或者第一电路布线位于第二载体42的下表面和第一载体41上。单光子雪崩光电二极管芯片60通过第一电路布线与相应的引脚13连接。
在本发明的另一些实施例中，光电探测器还包括测温元件30，测温元件30组装在制冷器20上；或，测温元件30组装在第一载体41或第二载体42上。测温元件30用于检测容纳腔11内的温度变化，从而保证制冷器20对单光子雪崩光电二极管芯片60的制冷效果。非限制地，测温元件30为热敏电阻。若测温元件30组装在第二载体42上，便于测温元件30更加靠近单光子雪崩光电二极管芯片60，从而提高对单光子雪崩光电二极管芯片60温度变化检测的灵敏度。
测温元件30可以直接组装在制冷器20上，也可以通过第三载体70间接地组装在制冷器20上。具体地，载体40还包括第三载体70，第三载体70组装在制冷器20上，第三载体70与第一载体41间隔设置，测温元件30组装在第三载体70上。
进一步地，光电探测器还包括与测温元件30连接的第二电路布线，第二电路布线位于第三载体70上，且第二电路布线与相应的引脚13连接。或者测温元件30直接与相应的引脚13连接。
测温元件30直接或间接地通过相应的引脚13与外部电路板连接，从而电路板能够根据测温元件30的变化情况对制冷器20的制冷效果进行调节。
在本发明优选的实施例中，容纳腔11通过气密封装的方式进行密封。气密封方式部件密封性好，还能够避免因呼吸效应造成的容纳腔11内部水汽凝结。非限制地，本发明实施例的管壳10可采用蝶形或双列直插管壳，这类管壳10容易制作，且气密性较好。
综上所述，本发明实施例的光电探测器具有集成化、小型化、组装工艺简单的优点。
本申请所提供的几个产品实施例中所揭露的特征，在不冲突的情况下可以任意组合，得到新的产品实施例。
根据本发明实施例的光电探测器的其他结构和操作对于本领域技术人员而言都是可以理解并且容易实现的，因此不再详细描述。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种光电探测器，其特征在于，所述光电探测器包括管壳、制冷器、光纤和单光子雪崩光电二极管芯片，所述管壳内设有密封的容纳腔，所述制冷器和所述单光子雪崩光电二极管芯片均位于所述容纳腔内；
所述单光子雪崩光电二极管芯片组装在所述制冷器上；
所述光纤穿设于所述管壳，所述光纤与所述单光子雪崩光电二极管芯片的光敏面平行设置，所述光纤靠近所述光敏面的一端具有斜端面，所述光纤内的信号光经所述斜端面全反射后与所述单光子雪崩光电二极管芯片的光敏面耦合。
2.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述光电探测器还包括载体，所述载体包括第一载体和第二载体；所述第一载体组装在所述制冷器上，所述第二载体组装在所述第一载体上；
所述单光子雪崩光电二极管芯片组装在所述第二载体上，且位于所述第一载体和所述第二载体之间；
所述第二载体上设有通光孔，所述单光子雪崩光电二极管芯片的光敏面朝向所述通光孔设置。
3.根据权利要求2所述的光电探测器，其特征在于，所述光电探测器还包括引脚，所述引脚位于所述管壳上，所述单光子雪崩光电二极管芯片与相应的所述引脚连接。
4.根据权利要求3所述的光电探测器，其特征在于，所述光电探测器还包括与所述单光子雪崩光电二极管芯片连接的第一电路布线；
所述第一电路布线位于所述第二载体上，或所述第一电路布线位于所述第一载体和所述第二载体上；
所述第一电路布线与相应的所述引脚相连接。
5.根据权利要求3所述的光电探测器，其特征在于，所述光电探测器还包括测温元件，所述测温元件组装在所述制冷器上；或，所述测温元件组装在所述第一载体或所述第二载体上。
6.根据权利要求3所述的光电探测器，其特征在于，所述光电探测器还包括测温元件；所述载体还包括第三载体，所述第三载体组装在所述制冷器上，所述第三载体与所述第一载体间隔设置；所述测温元件组装在所述第三载体上。
7.根据权利要求6所述的光电探测器，其特征在于，所述光电探测器还包括与所述测温元件连接的第二电路布线，所述第二电路布线位于所述第三载体上，所述第二电路布线与相应的所述引脚连接。
8.根据权利要求5或6所述的光电探测器，其特征在于，所述测温元件与所述引脚连接。
9.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述光电探测器还包括位于所述光纤上的支撑区域，所述光纤通过所述支撑区域与所述管壳连接。
10.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述光电探测器还包括连接头，所述连接头与位于所述容纳腔外的所述光纤连接；和/或
所述容纳腔通过气密封装的方式进行密封。
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