CN112129331B - 一种提高饱和光功率的宽带光电探测组件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高饱和光功率的宽带光电探测组件，包括：光功率分配单元、阵列光电探测单元和信号合成匹配单元，所述阵列光电探测单元包括n个独立的宽带单载流子光电探测器芯片，所述n为大于2的整数，所述光功率分配单元的输入端接收射频调制光信号，所述光功率分配单元输出n路光信号，每路光信号耦合到对应的一个宽带单载流子光电探测器芯片上并输出光电流，信号合成匹配单元对同时输入的n路光电流相干叠加并输出一路射频信号。本发明的方案大幅度提升宽带光电探测器的饱和光功率水平；本发明的方案应用于生物医学工程中射频光子传感等设备，以实现低噪声、大动态的光电转换能力，具有性能水平高、集成度高、体积小、可实现性好等优点。
Description
技术领域
本发明涉及宽带光电信号处理及测量领域，特别是一种提高饱和光功率的宽带光电探测组件，可应用于生物医学工程中射频光子传感等设备以实现高性能的光电转换能力。
背景技术
生物医学工程采用射频光子传感技术对人体的压力、温度、脉搏、呼吸等参数进行高准确度监测。射频光子传感技术具有灵敏度高、稳定性好、分辨率高、生物安全性好、系统复杂度低、不受电磁干扰等优点，可满足各种临床特别是重症监护(ICU)、核磁共振(MRI)等环境下对人体参数高精度及安全监测的需要。
在射频光子传感设备中，将射频信号调制到光波上，通过各种光学元件构建的高精度传感单元感知人体的待测参数变化，并将参数变化线性映射到调制光信号的幅度、频率、相位等物理量上，光电探测器在接收端通过光电效应将调制光信号转换回射频信号，信号处理部分进一步处理和提取相应的射频信号变化特性，从而得到人体的待测参数。随着临床医学对人体及周围环境电磁安全的要求，射频光子传感设备的输入射频信号功率越来越小，为了保证测量的准确性，传感设备对信号的接收灵敏度及动态范围要求越来越高。在这种条件下，只有大幅度提高输入宽带光电探测器的饱和光功率才能有效满足射频光子传感设备的接收灵敏度需求，提高检测信噪比。因此，高饱和光功率的宽带光电探测器对于提高射频光子传感设备的灵敏度及动态范围具有非常重要的意义。
为了克服传统光纤传感中p-i-n光电探测器输入饱和光功率低的困难(典型输入饱和光功率为4mW)，近年来，一些学者提出了全新的单载流子(UTC)光电探测器(专利公开号CN110323289A，陈佰乐，陈垚江，一种单载流子光电探测器)。在单载流子光电探测器中，增加了p型阻挡层，形成光电流的载流子只有电子而没有空穴。由于电子的有效质量小，这样在相同外加电压下，单载流子光电探测器的饱和光功率会显著提高，可以达到20mW以上。对于射频光子信号处理，波导结构的单载流子光电探测器的频率响应可以达到100GHz以上，满足更宽频率范围应用。
对于单个单载流子光电探测器，当输入光功率达到一定水平时，光电探测器不仅出现输出射频信号功率饱和现象，而且还会由于光电流过大引起器件发热严重，破坏器件中很薄的有源吸收层，造成器件损坏。因此，在低噪声、大动态射频光子传感应用中，现有宽带光电探测器的饱和光功率根本无法满足实际需求。
本发明提供了一种提高饱和光功率的宽带光电探测组件，解决了单一宽带光电探测器输入饱和光功率有限的困难，在性能水平、集成化、可实现性等方面具有显著的优势。本发明主要对集成高饱和光功率宽带光电探测组件的基本架构、工作原理及实施方式做了说明。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为了解决单一宽带光电探测器输入饱和光功率有限的问题，本发明提供了一种提高饱和光功率的宽带光电探测组件。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种提高饱和光功率的宽带光电探测组件，包括：光功率分配单元、阵列光电探测单元和信号合成匹配单元，所述阵列光电探测单元包括n个独立的单载流子光电探测器芯片，所述n为大于2的整数，所述光功率分配单元的输入端接收射频调制光信号，所述光功率分配单元输出n路光信号，每一路光信号耦合到对应的一个单载流子光电探测器芯片上并输出光电流，信号合成匹配单元对同时输入的n路光电流相干叠加并输出一路射频信号。
进一步的，所述光功率分配单元包括输入光纤、多模干涉耦合器，所述多模干涉耦合器包括1路输入锥形波导、n路输出波导，输入光纤连接输入锥形波导，n路输出波导与n个单载流子光电探测器芯片耦合。
进一步的，所述输入光纤采用单模光纤。
进一步的，所述阵列光电探测单元包括n个并联排列的单载流子光电探测器芯片。
进一步的，采用偏压电极及接地电极对单载流子光电探测器芯片提供直流电。
进一步的，所述信号合成匹配单元采用匹配电阻，所述匹配电阻与单载流子光电探测器芯片并联。
进一步的，所述信号合成匹配单元还包括电感，所述电感与匹配电阻串联。
进一步的，所述提高饱和光功率的宽带光电探测组件通过光电集成技术在InP基板上实现。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明将从外部光纤输入射频调制的高功率光信号均匀功分成多路，每一路都耦合到独立的单载流子光电探测器芯片上，光电探测器芯片接收入射的光信号，产生相应光电流，再匹配合成输出射频信号，本发明的方案将多路单载流子光电探测器芯片转换的光电流信号进行相干叠加后经负载输出，在充分保证单个光电探测芯片正常工作的基础上，大幅度提升宽带光电探测组件的饱和光功率水平。本发明提出的宽带光电探测组件可以采用光子集成技术实现，将多个无源和有源光芯片在有限空间中高精度的集成起来，实现饱和光功率高、线性度高、体积小的性能，满足对体积空间的苛刻要求。本发明提出的方法解决了单一宽带光电探测器饱和光功率有限的困难，在性能水平、集成化、可实现性等方面具有显著的优势，在生物医学工程中的射频光子传感等设备中低噪声、大动态的光电转换具有重要的应用价值。
附图说明
图1为本发明提高饱和光功率的宽带光电探测组件总体功能实现框图。
图2为本发明光功率分配单元实现框图。
图3为本发明信号合成及带宽扩展实现方法。
图4为单个光电探测器频率响应示意图。
图5为未采用带宽扩展方法，4个光电探测器芯片时的光电探测组件频率响应示意图。
图6为采用本发明实施例中带宽扩展方法，4个光电探测器芯片时的光电探测组件频率响应。
图7为本发明集成光电探测组件封装布局图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进一步详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种提高饱和光功率的宽带光电探测组件的总体实现方法，包括：光功率分配单元、阵列光电探测单元和信号合成匹配单元，从外部输入射频调制的高功率光信号(本实施例中视功率大于80mW为高功率光信号)进入光功率分配单元，并行分成n路光信号(光信号1，光信号2，...，光信号n)，每路光信号功率是总输入功率的1/n。n路光信号同时进入阵列光电探测单元中，阵列光电探测单元由n个宽带单载流子光电探测芯片(PD)组成，每个光电探测器芯片响应输入光信号得到光电流，同时产生n路光电流(光电流1，光电流2，...，光电流n)。n路光电流经过信号合成匹配单元，输出叠加的射频信号。对于单个单载流子光电探测器芯片，若输入饱和光功率为Psat(单位mW)，对于n个单元的单载流子光电探测器芯片的集成光电探测组件，输入饱和光功率为PTsat＝nPsat。例如，单个光电探测器芯片的输入饱和光功率为40mW，对于2个光电探测器芯片的集成光电探测组件，输入饱和光功率为80mW；对于4个光电探测器芯片的集成光电探测组件，输入饱和光功率为160mW。在这种情况下，射频光子传感设备的信号增益提高n2倍，接收信噪比提高n倍。本发明提出的提高饱和光功率的宽带光电探测组件主要工作于1550nm波长范围，但在其他工作波长范围同样适用。
如图2为光功率分配单元的实现方法，所述光功率分配单元包括输入光纤、多模干涉耦合器，所述多模干涉耦合器包括1路输入锥形波导、n路输出波导(输出波导1，输出波导2，...，输出波导n)，输入锥形波导和输出波导之间具有多模波导干涉区，输入光纤连接输入锥形波导，n路输出波导与n个单载流子光电探测器芯片耦合，具体地，n路输出波导(输出波导1，输出波导2，...，输出波导n)输出n个光信号(对应为光信号1，光信号2，...，光信号n)到阵列光电探测器单元。本实施例为了实现集成化光电探测组件，光功率分配单元采用集成光波导技术。由于多路单模光耦合器具有损耗大、均匀性差等缺点，本实施例采用多模干涉耦合器实现高功率光信号的均匀分配，具有损耗小、一致性好、耦合工艺容易等优点。特别地，为了实现宽带信号合成效果，多模干涉耦合器的n路输出光功率一致性需控制在0.2dB以内，从输入锥形波导到任一输出波导的最大与最小路程差需控制在30μm以内。
优选的，外部光信号一般由单模光纤输入，在解理光纤端面与多模干涉耦合器的输入端采用锥形波导，以保证稳定的光学模式匹配和耦合。
图3为信号合成及带宽扩展实现方法。阵列光电探测单元中n个单载流子光电探测器芯片PD1、PD2、…、PDn分别接收光信号，输出光电流i1、i2、…、in。为了实现输出射频信号功率最大，光电探测芯片PD1、PD2、…、PDn并联排列，光电流i1、i2、…、in均通过匹配电阻R，这样输出信号为所有光电流相干叠加产生。特别地，n个光电探测器芯片与匹配电阻的最大连接长度差需要控制在10μm以内。
若光电探测器芯片的节电容为C，单个光电探测器芯片的3dB带宽为Bs＝1/(2πRC)。当采用图3的n个光电探测器芯片并行排列时，在未加电感L条件下，集成光电探测组件3dB带宽降为Bs/n。在输出端增加电感L，通过优化设计，能够扩展光电探测组件的带宽。扩展后的组件带宽可以表示为Bs/n·(1+k(C,L))。系数k为电容C和电感L的函数，利用射频信号频率响应的数值分析计算方法，能够在合适的电感条件下得到最大的k值，从而实现组件带宽的最优扩展水平。
图4为单个光电探测器频率响应。以该器件为例作为说明，其3dB带宽为28GHz。图5为未采用带宽扩展方法，集成光电探测组件频率响应。以4个光电探测器芯片组成的光电探测组件为例，其3dB带宽为7GHz。图6为采用本发明带宽扩展方法，集成光电探测组件频率响应。组件的3dB带宽为13GHz，相对于图5，采用本发明带宽扩展方法，在输出端增加电感量为0.52nH的电感，组件的带宽提升了85％，很好适应于宽带条件下的应用。因此，本实施例中，为了解决集成光电探测组件响应带宽随多芯片集成减小的问题，在输出负载中增加电感元件，通过优化设计，能够很好的扩展光电探测组件的带宽，满足应用需求。
图7为集成光电探测组件封装布局图。多模干涉耦合器包括输入锥形波导和输出波导，为了更清楚的示意，图7中标出了多模干涉耦合器的锥形波导和输出波导，多模干涉耦合器、光电探测器芯片阵列均可以通过光电集成工艺在InP基板上实现，偏压电极及接地电极对光电探测器芯片提供直流电，光电探测器芯片阵列产生的光电流通过匹配负载合成输出，匹配负载由优化设计的电感和电阻组成，组件中射频信号传输及输出采用微带线。组件输入光信号由单模光纤与多模干涉耦合器的锥形波导耦合实现，输出微波信号由微带线与微波接口连接实现。
最后应说明的是：以上各实施例仅仅为本发明的较优实施例用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，当然更不是限制本发明的专利范围；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围；也就是说，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内；另外，将本发明的技术方案直接或间接的运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (3)
1.一种提高饱和光功率的宽带光电探测组件，其特征在于，包括：光功率分配单元、阵列光电探测单元和信号合成匹配单元，所述阵列光电探测单元包括n个独立的单载流子光电探测器芯片，所述n为大于2的整数，所述光功率分配单元的输入端接收射频调制光信号，所述光功率分配单元输出功率相等的n路光信号，每一路光信号耦合到对应的一个单载流子光电探测器芯片上并输出光电流，信号合成匹配单元对同时输入的n路光电流相干叠加并输出一路射频信号；
所述阵列光电探测单元包括n个并联排列的单载流子光电探测器芯片；
所述信号合成匹配单元采用匹配电阻，所述匹配电阻与单载流子光电探测器芯片并联；
所述信号合成匹配单元还包括电感，所述电感与匹配电阻串联；
所述光功率分配单元包括输入光纤、多模干涉耦合器，所述多模干涉耦合器包括1路输入锥形波导、n路输出波导，输入光纤连接输入锥形波导，n路输出波导与n个单载流子光电探测器芯片耦合；
所述提高饱和光功率的宽带光电探测组件通过光电集成技术在InP基板上实现。
2.如权利要求1所述的提高饱和光功率的宽带光电探测组件，其特征在于，所述输入光纤采用单模光纤。
3.如权利要求2所述的提高饱和光功率的宽带光电探测组件，其特征在于，采用偏压电极及接地电极对单载流子光电探测器芯片提供直流电。
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