CN113654671A - 基于窄带隙半导体的光波长解调结构、解调方法及传感器 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种基于窄带隙半导体的光传感波长解调结构，当入射光信号波长发生改变时，由于不同波长的穿透能力不同，故穿过相同厚度的窄带隙半导体后所导致的第二电极检测到的第二电流I’’_ph值也不同。窄带隙半导体同时作为吸光材料和导电材料，利用两个表面的电极来测量光电流的大小，通过电流的比值，可以无需测量光线的强度，容易实现整个结构的小型化。

Description

基于窄带隙半导体的光波长解调结构、解调方法及传感器

技术领域

本申请属于光子传感技术领域，尤其是涉及一种基于窄带隙半导体的光波长解调结构、解调方法及传感器。

背景技术

在新数字时代，光子技术的发展将迎来重要机遇。其中用来采集数据的光传感技术具有精度高、速度快、损耗低以及抗电磁干扰等特点。光传感系统包括传感和解调两个过程。传感过程是指外界参量（如温度、应变等）对光的强度、波长、相位等进行调制。而解调过程与传感过程相反，是将传感器反映的光参数的变化量和外界参量的变化相对应。目前，市场产品中比较常用的是强度调制型和波长调制型的传感器。强度调制型传感器的基本原理是外界参量引起传感器中传输光光强的变化，通过检测光强的变化来测量外界参量。但由于原理的限制，其易受光源波动，光路改变及环境因素影响，因此只能适用于低精度要求、干扰源较小的场合。波长调制型光传感器的基本原理是待测外界参量直接或间接作用于敏感部件，引起传感器中传输光的波长改变，进而通过测量光波长的变化来检测外界参量，此类传感器具有抗干扰、传输距离远、可复用等优点。

波长解调技术指的是指波长偏移量精确测量的技术。当被测对象发生改变时，波长调制型光传感器的反射波长会有相应的偏移，且波长偏移量与被测量的变化存在一定的比例关系。由此可知，通过监测光传感器波长的微小偏移量的解调器会直接影响整个传感系统的检测精度，即解调技术是光传感器传感实用化过程中面临的关键问题。以常见的光纤光栅传感器为例，其常用的波长解调过程中，使用的方法有衍射光栅法，法布里珀罗滤波器法，马赫曾德干涉仪法，可调谐波长激光器法，光纤光栅匹配法，CCD分光仪检测法等。但是，这些已有的波长解调方法存在多方面的不足：一、价格昂贵，不适用于普通的用户；二、其扫描速度较慢，对一些实时性要求高的场合不太适用；三、其体积较大，难以集成，不符合当下传感器件微型化的趋势。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为解决现有技术中的不足，从而提供一种能够实现小型化的基于窄带隙半导体的光波长解调结构、解调方法及传感器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于窄带隙半导体的光传感波长解调结构，包括：

窄带隙半导体，具有相对且平行设置的第一表面与第二表面，所述第一表面用于接收从光纤射入的所述第一表面的光线，所述窄带隙半导体的导电方向为平行于第一表面和第二表面的方向；

第一电极，为两个，位于第一表面，用于通过第一表面向窄带隙半导体施加电压以形成流过第一表面的第一电流I’_ph；

第二电极，为两个，位于第二表面，用于通过第二表面向窄带隙半导体施加电压以形成流过第二表面的第二电流I’’_ph；

第一电极与第二电极以窄带隙半导体的中轴线为对称轴对称设置，且第一电极与第二电极分别用于与电流传感器连接以分别测量得到第一电流I’_ph和第二电流I’’_ph。

优选地，本发明的基于窄带隙半导体的光传感波长解调结构，还包括计算模块，用于根据第一电流I’_ph和第二电流I’’_ph计算从光纤射入的光线波长λ=f(α)，α=-lnR/(Xβ)，其中R=I’_ph/I’’_ph；λ=f(α)表示波长λ与吸收系数α为函数关系，函数关系由窄带隙半导体本身性质决定，X为窄带隙半导体的有效厚度，β为功率指数，功率指数为窄带隙半导体的半导体材料本身的性质相关的常数。

优选地，本发明的基于窄带隙半导体的光传感波长解调结构，所述光线以垂直方向射入所述第一表面，X即为窄带隙半导体的厚度。

优选地，本发明的基于窄带隙半导体的光传感波长解调结构，第一电极与第二电极通过镀在窄带隙半导体的第一表面与第二表面上形成。

本发明还提供一种光波长传感器，

包括：

光纤；

封装层；

所述封装层内封装有上述的基于窄带隙半导体的光传感波长解调结构；

所述光纤对准第一表面。

优选地，本发明的光波长传感器，所述基于窄带隙半导体的光传感波长解调结构通过光纤耦合工艺封装。

本发明还提供一种基于窄带隙半导体的光传感波长解调方法，包括以下步骤：

将待测波长的光线通过第一表面照射到具有相对且平行设置的第一表面与第二表面的窄带隙半导体上，第一表面上设置有第一电极，第二表面上设置有第二电极，第一电极与第二电极以窄带隙半导体的中轴线为对称轴对称设置；

测量通过第一表面向窄带隙半导体施加电压以形成流过第一表面的第一电流I’_ph，测量通过第二表面向窄带隙半导体施加电压以形成流过第二表面的第二电流I’’_ph；

根据第一电流I’_ph和第二电流I’’_ph计算光线波长λ=f(α)，α=-lnR/(Xβ)，其中R=I’_ph/I’’_ph；λ=f(α)表示波长λ与吸收系数α为函数关系，函数关系由窄带隙半导体本身性质决定，X为窄带隙半导体的有效厚度，β为功率指数，功率指数为窄带隙半导体的半导体材料本身的性质相关的常数。

优选地，本发明的基于窄带隙半导体的光传感波长解调方法，将待测波长的光线以垂直方向射入所述第一表面，X即为窄带隙半导体的厚度。

优选地，本发明的基于窄带隙半导体的光传感波长解调方法，波长λ与吸收系数α为函数关系、窄带隙半导体的厚度、功率指数预先测量得到。

优选地，本发明的基于窄带隙半导体的光传感波长解调方法，

波长λ与吸收系数α为函数关系、窄带隙半导体的厚度、功率指数的值内置于计算模块内，由计算模块获取第一电流I’_ph和第二电流I’’_ph的数值后计算从光纤射入的光线波长。

本发明的有益效果是：

本申请的基于窄带隙半导体的光传感波长解调结构中，当入射光信号波长发生改变时，由于不同波长的穿透能力不同，故穿过相同厚度的窄带隙半导体后所导致的第二电极检测到的第二电流I’’_ph值也不同。窄带隙半导体同时作为吸光材料和导电材料，利用两个表面的电极来测量光电流的大小，通过电流的比值，可以无需测量光线的强度，容易实现整个结构的小型化。

附图说明

下面结合附图和实施例对本申请的技术方案进一步说明。

图1是本申请实施例1的基于窄带隙半导体的光传感波长解调结构的示意图；（其中电极为示例，并不表示其真实厚度）

图2是本申请实施例1的基于窄带隙半导体的光传感波长解调方法的流程图。

图中的附图标记为：

1　窄带隙半导体；

2　第一电极；

3　第二电极；

4　光纤；

5　封装层。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请的技术方案。

实施例1

本实施例提供一种基于窄带隙半导体的光传感波长解调结构，如图1所示，包括：

窄带隙半导体1，具有相对且平行设置的第一表面与第二表面，所述第一表面用于接收从光纤射入的垂直于所述第一表面的光线，所述窄带隙半导体1的导电方向为平行于第一表面和第二表面的方向；

第一电极2，为两个，位于第一表面，用于通过第一表面向窄带隙半导体1施加电压以形成流过第一表面的第一电流I’_ph；

第二电极3，为两个，位于第二表面，用于通过第二表面向窄带隙半导体1施加电压以形成流过第二表面的第二电流I’’_ph；

第一电极2与第二电极3以窄带隙半导体1的中轴线为对称轴对称设置，且第一电极2与第二电极3分别用于与电流传感器连接以分别测量得到第一电流I’_ph和第二电流I’’_ph；

计算模块，用于根据第一电流I’_ph和第二电流I’’_ph计算从光纤射入的光线波长λ=f(α)，α=-lnR/(Xβ)，其中R=I’_ph/I’’_ph；λ=f(α)表示波长λ与吸收系数α为函数关系，函数关系由窄带隙半导体1本身性质决定，X为窄带隙半导体1的有效厚度，β为功率指数，功率指数为窄带隙半导体1的半导体材料本身的性质相关的常数。

上述结构中，当入射光信号波长发生改变时，由于不同波长的穿透能力不同，故穿过相同厚度的窄带隙半导体1后所导致的第二电极3检测到的第二电流I’’_ph值也不同。窄带隙半导体1同时作为吸光材料和导电材料，利用两个表面的电极来测量光电流的大小，通过电流的比值，可以无需测量光线的强度，容易实现整个结构的小型化。

优选地，第一电极2与第二电极3通过镀在窄带隙半导体1的第一表面与第二表面上形成。

优选地，所述光线以垂直方向射入所述第一表面，X即为窄带隙半导体1的厚度，垂直第一表面射入可以防止光线在窄带隙半导体1内发生折射形成的角度变化。当光线不以垂直方向射入时，这需要根据入射角度和窄带隙半导体1折射率来考虑窄带隙半导体1的有效厚度，由于入射角度在光纤位置设置好后已经已知，而波长与折射角度之间也为函数关系，因此也可根据这些已知条件能够求得入射光波长。

本实施例的基于窄带隙半导体的光传感波长解调结构测量波长的测量原理如下：

本解调器结构对波长的解调是利用不同的波长的光穿透力不同的原理，让传感器反馈的光信号穿过窄带隙半导体1，通过测量和对比光信号通过半导体前后的光电流来解调光波长的数值。当入射光信号在半导体中经过距离为x的传输后，半导体材料吸收的光功率为：

P _x=P ₀ exp(-αx)

其中，P _x为光信号在半导体中经过距离为x的传输后的光强度，P ₀为入射光信号强度，α为吸收系数，是波长的函数λ=f(α)，通常来说光波长越短，该吸收系数越大。

在光电器件中，光电流与入射光强度遵循如下关系：

I _ph=kP ^β

其中I _ph为光电流，P为光信号强度，β为功率指数，是与半导体材料本身的性质相关的常数，k为一常数。结合以上两个公式，可以推导出光信号在半导体中经过距离为x的传输后的光电流为：

I _ph=k( P ₀ exp(-αx))^β

从公式中可以看出光电流的大小与入射光信号波长λ，传输距离x和功率指数β相关。因此，当固定半导体材料和光信号厚度时，所测的光电流大小仅与入射光信号的波长相关。可以通过获取入射光信号穿过半导体后的电流大小进而获得入射光信号的波长信息。

将本实施例的基于窄带隙半导体的光传感波长解调结构进行CMOS封装形成封装层5。其中，光纤4从外部接入。光纤4的正下方为单晶窄带隙半导体制成的光传输材料，在该光传输材料上表面和下表面分别镀有两个对称电极。通过封装技术将半导体结构部分与光纤接入部分封装在长方体腔内。

该结构进行光信号解调的原理是：当入射光信号波长发生改变时，由于不同波长的穿透能力不同，故穿过相同厚度的窄带隙半导体1后所导致的光电流降低也不同。根据前文中的公式，通过获取上方两个电极之间光电流I’ _ph与下方两个电极之间光电流I’’ _ph的比值R得到

R = I’ _ph/I’’ _ph= (exp(-αx))^β

此时，由于在实际结构中窄带隙半导体1的X和材料功率指数β是固定的，该比值R仅与波长相关。因此，可以通过测试上方两个电极之间光电流与下方两个电极之间光电流的比值来获取入射光信号的波长信息，实现光信号的解调。

实施例2

本实施例提供一种光波长传感器，

包括：

光纤4；

封装层5；

所述封装层5内封装有实施例1的基于窄带隙半导体的光传感波长解调结构；

所述光纤4对准第一表面。

基于窄带隙半导体的光传感波长解调结构通过光纤耦合工艺封装于封装层内，并且固定有对准第一表面的光纤。

实施例3

本实施例提供一种基于窄带隙半导体的光传感波长解调方法，如图2所示，包括以下步骤：

将待测波长的光线通过第一表面照射到具有相对且平行设置的第一表面与第二表面的窄带隙半导体1上，第一表面上设置有第一电极2，第二表面上设置有第二电极3，第一电极2与第二电极3以窄带隙半导体1的中轴线为对称轴对称设置；

测量通过第一表面向窄带隙半导体1施加电压以形成流过第一表面的第一电流I’_ph，测量通过第二表面向窄带隙半导体1施加电压以形成流过第二表面的第二电流I’’_ph；

根据第一电流I’_ph和第二电流I’’_ph计算从光纤射入的光线波长λ=f(α)，α=-lnR/(Xβ)，其中R=I’_ph/I’’_ph；λ=f(α)表示波长λ与吸收系数α为函数关系，函数关系由窄带隙半导体1本身性质决定，X为窄带隙半导体1的有效厚度，β为功率指数，功率指数为窄带隙半导体1的半导体材料本身的性质相关的常数。

优选地，将待测波长的光线以垂直方向射入所述第一表面，X即为窄带隙半导体的厚度。

优选地，波长λ与吸收系数α为函数关系、窄带隙半导体的厚度、功率指数预先测量得到，并内置于计算模块内，由计算模块获取第一电流I’_ph和第二电流I’’_ph的数值后计算从光纤射入的光线波长。

以上述依据本申请的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项申请技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项申请的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.一种基于窄带隙半导体的光传感波长解调结构，其特征在于，包括：

窄带隙半导体（1），具有相对且平行设置的第一表面与第二表面，所述第一表面用于接收从光纤射入的所述第一表面的光线，所述窄带隙半导体（1）的导电方向为平行于第一表面和第二表面的方向；

第一电极（2），为两个，位于第一表面，用于通过第一表面向窄带隙半导体（1）施加电压以形成流过第一表面的第一电流I’_ph；

第二电极（3），为两个，位于第二表面，用于通过第二表面向窄带隙半导体（1）施加电压以形成流过第二表面的第二电流I’’_ph；

第一电极（2）与第二电极（3）以窄带隙半导体（1）的中轴线为对称轴对称设置，且第一电极（2）与第二电极（3）分别用于与电流传感器连接以分别测量得到第一电流I’_ph和第二电流I’’_ph。

2.根据权利要求1所述的基于窄带隙半导体的光传感波长解调结构，其特征在于，还包括计算模块，用于根据第一电流I’_ph和第二电流I’’_ph计算从光纤射入的光线波长λ=f(α)，α=-lnR/(Xβ)，其中R=I’_ph/I’’_ph；λ=f(α)表示波长λ与吸收系数α为函数关系，函数关系由窄带隙半导体（1）本身性质决定，X为窄带隙半导体（1）的有效厚度，β为功率指数，功率指数为窄带隙半导体（1）的半导体材料本身的性质相关的常数。

3.根据权利要求1或2所述的基于窄带隙半导体的光传感波长解调结构，其特征在于，所述光线以垂直方向射入所述第一表面，X即为窄带隙半导体（1）的厚度。

4.根据权利要求1-3任一项所述的基于窄带隙半导体的光传感波长解调结构，其特征在于，第一电极（2）与第二电极（3）通过镀在窄带隙半导体（1）的第一表面与第二表面上形成。

5.一种光波长传感器，其特征在于，

包括：

光纤（4）；

封装层（5）；

所述封装层（5）内封装有权利要求1-4任一项的基于窄带隙半导体的光传感波长解调结构；

所述光纤（4）对准第一表面。

6.根据权利要求5所述的光波长传感器，其特征在于，所述基于窄带隙半导体的光传感波长解调结构通过CMOS光纤耦合工艺封装。

7.一种基于窄带隙半导体的光传感波长解调方法，其特征在于，包括以下步骤：

将待测波长的光线通过第一表面照射到具有相对且平行设置的第一表面与第二表面的窄带隙半导体（1）上，第一表面上设置有第一电极（2），第二表面上设置有第二电极（3），第一电极（2）与第二电极（3）以窄带隙半导体（1）的中轴线为对称轴对称设置；

测量通过第一表面向窄带隙半导体（1）施加电压以形成流过第一表面的第一电流I’_ph，测量通过第二表面向窄带隙半导体（1）施加电压以形成流过第二表面的第二电流I’’_ph；

根据第一电流I’_ph和第二电流I’’_ph计算光线波长λ=f(α)，α=-lnR/(Xβ)，其中R=I’_ph/I’’_ph；λ=f(α)表示波长λ与吸收系数α为函数关系，函数关系由窄带隙半导体（1）本身性质决定，X为窄带隙半导体（1）的有效厚度，β为功率指数，功率指数为窄带隙半导体（1）的半导体材料本身的性质相关的常数。

8.根据权利要求7基于窄带隙半导体的光传感波长解调方法，其特征在于，将待测波长的光线以垂直方向射入所述第一表面，X即为窄带隙半导体（1）的厚度。

9.根据权利要求7所述的基于窄带隙半导体的光传感波长解调方法，其特征在于，波长λ与吸收系数α为函数关系、窄带隙半导体（1）的厚度、功率指数预先测量得到。

10.根据权利要求9所述的基于窄带隙半导体的光传感波长解调方法，其特征在于，

波长λ与吸收系数α为函数关系、窄带隙半导体（1）的厚度、功率指数的值内置于计算模块内，由计算模块获取第一电流I’_ph和第二电流I’’_ph的数值后计算从光纤射入的光线波长。

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