CN114242811A - 光电探测器芯片、光电探测器芯片电路及光电探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于光电子技术领域，提供了一种光电探测器芯片、光电探测器芯片电路及光电探测器，该光电探测器芯片由预设光电探测器芯片和集成在预设光电探测器芯片上的汇聚透镜构成，汇聚透镜用于将入射光信号汇聚到预设光电探测器芯片的光电转换感光面上。由于入射光信号由汇聚透镜汇聚后可以经过更短且损耗更小的光程传递到预设光电探测器芯片的光电转换感光面上，因此，本发明能够使出射相同功率的更多的光传递到光电探测器芯片的光电转换感光面上，进而实现光电探测器芯片光电转换效率的提升。而且本发明相对于采用马鞍架/角铁等方式将光学透镜与预设光电探测器芯片耦合，定位精度更高、耦合难度更小且器件的一致性更好。
Description
技术领域
本发明属于光电子技术领域，尤其涉及一种光电探测器芯片、光电探测器芯片电路及光电探测器。
背景技术
微波光子学是一门发展迅速的交叉学科，它在国防、科学技术以及日常生活的许多方面都得到了越来越广泛的应用。其中，光电探测器芯片是实现光电转换的关键部件，是光通信、微波光子雷达等系统中的核心器件。
光电探测器芯片工作时，需要和信号的光学系统相匹配，即需要使入射光的变化中心处于光电探测器光电特性的线性范围内。因为入射光需要照射到器件的光电转换感光面上进行光电转换，如果入射位置发生变化，那么光电灵敏度也将发生变化，进而影响光电探测器芯片的输出。因此，为了确保光电探测器芯片良好的线性输出，在光电探测器芯片的光电转换感光面的面积一定的前提下，如何提高光电探测器芯片的光电转换效率，使出射相同功率的更多的光传递到光电探测器芯片的光电转换感光面上至关重要。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种光电探测器芯片、光电探测器芯片电路及光电探测器，以解决现有技术中光电探测器芯片的光电转换效率不足的问题。
本发明实施例的第一方面提供了一种光电探测器芯片，包括：预设光电探测器芯片和集成在所述预设光电探测器芯片上的汇聚透镜；
所述汇聚透镜用于将入射光信号汇聚到所述预设光电探测器芯片的光电转换感光面上。
在一种可能的实现方式中，所述预设光电探测器芯片为背入射光电探测器芯片，所述汇聚透镜集成在所述背入射光电探测器芯片的背面。
在一种可能的实现方式中，所述背入射光电探测器芯片的底面还设置有高反膜，所述高反膜用于将进入所述背入射光电探测器芯片内且透射过所述光电转换感光面的光束反射到所述光电转换感光面上。
本发明实施例的第二方面提供了一种光电探测器芯片电路，包括如上第一方面或第一方面的任一种可能的实现方式所述的光电探测器芯片和微波/毫米波集成电路芯片；
所述光电探测器芯片设置在所述微波/毫米波集成电路芯片上，用于接收入射光信号，将所述入射光信号汇聚后转换为电信号并输入到所述微波/毫米波集成电路芯片的输入端；
所述微波/毫米波集成电路芯片用于对所述电信号进行匹配处理，并将处理后的电信号通过所述微波/毫米波集成电路芯片的输出端输出。
在一种可能的实现方式中，所述光电探测器芯片通过金锡合金焊接、金金键合、微凸点制备或倒装焊接的方式与所述微波/毫米波集成电路芯片的输入端连接。
在一种可能的实现方式中，所述微波/毫米波集成电路芯片，包括：微波匹配子电路和微波放大子电路；
所述微波匹配子电路的输入端为所述微波/毫米波集成电路芯片的输入端，所述微波匹配子电路的输出端与所述微波放大子电路的输入端连接，所述微波放大子电路的输出端为所述微波/毫米波集成电路芯片的输出端。
在一种可能的实现方式中，所述微波/毫米波集成电路芯片，还包括：电源处理子电路；
所述电源处理子电路的一端连接在所述光电探测器芯片的预设工作电源与所述光电探测器芯片之间，所述电源处理子电路的另一端接地，所述电源处理子电路用于对所述预设工作电源输出的预设工作电压进行滤波处理。
在一种可能的实现方式中，所述电源处理子电路包括：电容；
所述电容的一端连接在所述预设工作电源与所述光电探测器芯片之间，所述电容的另一端接地。
本发明实施例的第三方面提供了一种光电探测器，包括如上第二方面或第二方面的任一种可能的实现方式所述的光电探测器芯片电路。
本发明实施例提供一种光电探测器芯片、光电探测器芯片电路及光电探测器，光电探测器芯片由预设光电探测器芯片和集成在预设光电探测器芯片上的汇聚透镜构成，汇聚透镜用于将入射光信号汇聚到预设光电探测器芯片的光电转换感光面上。一方面，汇聚透镜直接集成到预设光电探测器芯片上，入射光信号由汇聚透镜汇聚后可以经过更短且损耗更小的光程传递到预设光电探测器芯片的光电转换感光面上，进而实现光电探测器芯片光电转换效率的提升。另一方面，汇聚透镜直接集成到预设光电探测器芯片上，相对于采用马鞍架/角铁等方式将光学透镜与预设光电探测器芯片耦合，定位精度更高、耦合难度更小且器件的一致性更好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的光电探测器芯片的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的光电探测器芯片电路的结构示意图；
图3是本发明另一实施例提供的光电探测器芯片电路的结构示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
图1为本发明实施例提供的光电探测器芯片的结构示意图，详述如下。
光电探测器芯片1，包括：预设光电探测器芯片10和集成在预设光电探测器芯片10上的汇聚透镜20。
其中，汇聚透镜20用于将入射光信号汇聚到预设光电探测器芯片10的光电转换感光面11上。
可选的，预设光电探测器芯片10可以采用光路背入射的设计方法，即预设光电探测器芯片10可以为背入射光电探测器芯片，汇聚透镜20可以集成在背入射光电探测器芯片的背面，也就是集成在预设光电探测器芯片入射光信号入射的表面。
本实施例中，正是由于汇聚透镜集成在预设光电探测器芯片入射光信号入射的表面，因此入射光信号照射到汇聚透镜之后会汇聚更多的光线进入到预设光电探测器芯片内具有高透性的光电转换感光面上，实现入射光信号的放大、聚焦，相当于放大了预设光电探测器芯片的光电转换感光面的面积，实现预设光电探测器芯片的光电转换部分的主要能量来源。而由于将汇聚透镜直接集成到预设光电探测器芯片上，由汇聚透镜汇聚的会经过更短且损耗更小的光程传递到预设光电探测器芯片的光电转换感光面上，使出射相同功率的更多的光传递到光电探测器芯片的光电转换感光面上，进而实现光电探测器芯片光电转换效率的提升。
可选的，继续参见图1，预设光电探测器芯片10(例如：背入射光电探测器芯片)的底面还可以设置高反膜12，其中，高反膜12用于将进入预设光电探测器芯片10内且透射过光电转换感光面11的光束反射到光电转换感光面11上。
其中，入射光信号照射到集成了汇聚透镜的预设光电探测器芯片之后，经由光束汇聚到具有高透性的光电转换感光面上，汇聚到光电转换感光面上的光束一部分会透射过光电转换感光面打到预设光电探测器芯片的底面，本实施例在预设光电探测器芯片底面的相应位置，集成具有高反射特性的薄膜，该薄膜能将光束以很高效率反射回光电转换感光面，而光电转换感光面两面感光。这种光路背入射结构结合底面设置高反膜的设计，可以反射原本经预设光电探测器芯片底面散逸的光束，获得预设光电探测器芯片的光电转换部分的更多能量来源，提高光电探测器芯片的响应度，使出射相同功率的更多的光传递到光电探测器芯片的光电转换感光面上，进一步提高光电转换效率。
示例性的，上述预设光电探测器芯片10可以为InP基化合物半导体光电探测器芯片，在预设光电探测器芯片的背面可以采用半导体刻蚀工艺制备集成汇聚透镜，预设光电探测器芯片的光电转换感光面可以采用反射镜的设计结构，提高探测器响应度。
上述光电探测器芯片，由预设光电探测器芯片和集成在预设光电探测器芯片上的汇聚透镜构成，汇聚透镜用于将入射光信号汇聚到预设光电探测器芯片的光电转换感光面上，预设光电探测器芯片的底面设置高反膜。一方面，汇聚透镜直接集成到预设光电探测器芯片上，入射光信号由汇聚透镜汇聚后可以经过更短且损耗更小的光程传递到预设光电探测器芯片的光电转换感光面上，预设光电探测器芯片底面设置的高反膜，可以将透射过光电转换感光面的光束反射到光电转换感光面，提高光电探测器芯片的响应度，使出射相同功率的更多的光传递到光电探测器芯片的光电转换感光面上，进而实现光电探测器芯片光电转换效率的提升。另一方面，汇聚透镜直接集成到预设光电探测器芯片上，相对于采用马鞍架/角铁等方式将光学透镜与预设光电探测器芯片耦合，定位精度更高、耦合难度更小且器件的一致性更好。
为了确保光电探测器芯片良好的线性输出，除了和信号的光学系统相匹配，提高光电探测器芯片的光电转换效率之外，光电探测器芯片还需要和后续的电信号在工作参数与特性上相匹配。即光电探测器芯片需要和被测信号的波形、调制形式与信号频率相匹配，从而保证得到未失真的输出波形以及良好的时间响应。光电探测器芯片需要和输入电路在电特性上相匹配，从而保证有足够大的线性范围、转换系数、信噪比和快速的动态响应等。然而，基于目前的光电子集成技术进行光电探测器芯片电信号的匹配，由于目前光电子集成技术还处在单个芯片实现单种器件的水平，光电探测器芯片及用于匹配的电感、电容等分立器件之间的互连会引入较大的寄生参数，进而影响器件的高频特性；同时由于分立器件的体积比较大，影响器件的集成化、小型化。
因此，参见图2，本发明实施例还提供一种光电探测器芯片电路，包括上述任一实施例所述的光电探测器芯片1和微波/毫米波集成电路芯片2。
其中，光电探测器芯片1设置在微波/毫米波集成电路芯片2上，用于接收入射光信号，将入射光信号汇聚后转换为电信号并输入到微波/毫米波集成电路芯片2的输入端；微波/毫米波集成电路芯片2用于对电信号进行匹配处理，并将处理后的电信号通过微波/毫米波集成电路芯片2的输出端输出。
其中，光电探测器芯片1可以根据需要通过金锡合金焊接、金金键合、微凸点制备或倒装焊接的方式与微波/毫米波集成电路芯片2的输入端连接。例如芯片在确保互相之间有PAD可以互联的情况下，可采用金锡合金焊接；当其中一种芯片为BGA植球类芯片(如高密度焊点微波毫米波集成电路)时，可采用倒装焊的方法连接。从而实现光电探测器芯片1与底层微波/毫米波集成电路芯片2的堆叠集成，实现光电探测器芯片1与微波/毫米波集成电路芯片2的信号互连。其中，通过光电探测器芯片1的底部与微波/毫米波集成电路芯片10的金属连接还有利于光电探测器芯片1的快速散热。
上述光电探测器芯片电路中，入射光信号照射到光电探测器芯片的表面，经光电探测器芯片上的汇聚透镜聚集到光电探测器芯片的光电转换感光面上，通过光电探测器的光电效应转换为电信号，经过微波/毫米波集成电路芯片的处理，输出处理后的电信号。其除基于上述任一实施例所述的光电探测器芯片提升了光电转换效率之外，还通过采用光电异构集成的设计方法，解决了光器件(光电探测器芯片)与微波/毫米波集成电路不同材料体系器件的单片集成，实现了光器件与微波/毫米波电路的集成单片系统，相对于现有技术中的分立器件实现光电探测器的匹配调高来说，减小了芯片互连的寄生特性，提高了光电探测器芯片电路的频率特性，同时由于各个芯片的体积小，使得集成后的光电探测器芯片电路的体积也比较小，集成化程度高。
可选的，参见图3，微波/毫米波集成电路芯片2，包括：微波匹配子电路201和微波放大子电路202。
其中，微波匹配子电路201的输入端为微波/毫米波集成电路芯片2的输入端，微波匹配子电路201的输出端与微波放大子电路202的输入端连接，微波放大子电路202的输出端为微波/毫米波集成电路芯片2的输出端。
其中，微波匹配子电路201可以实现光电探测器芯片电信号的良好匹配，可以采用匹配电路和电阻构成的阻抗形态进行匹配。如图3所示，微波匹配子电路201可以为匹配电路和电容以及电阻构成。光电探测器芯片1输出的电信号经微波匹配子电路201和微波放大子电路202处理后，输出为高频微波信号。
可选的，如图3所示，微波/毫米波集成电路芯片2还包括：电源处理子电路203。
其中，电源处理子电路203的一端连接在光电探测器芯片的预设工作电源与光电探测器芯片1之间，电源处理子电路203的另一端接地。电源处理子电路203用于对预设工作电源输出的预设工作电压进行滤波处理。预设工作电源输出的预设工作电压为光电探测器芯片正常工作所必须的电压。
示例性的，电源处理子电路203包括：电容。
其中，电容的一端连接在预设工作电源与光电探测器芯片1之间，电容的另一端接地。
本实施例中，微波匹配子电路201、微波放大子电路202和电源处理子电路203共同构成微波/毫米波集成电路芯片2，实现光电探测器芯片的匹配电路、光电探测器芯片的外围电源处理电路以及微波毫米波电路(如微波毫米波的放大电路、滤波电路、混频电路)等功能。微波/毫米波集成电路芯片2可以采用通用的CMOS(如：GaAs、GaN、Si基)集成电路工艺制备得到，微波/毫米波集成电路芯片2的集成尺寸与位置遵循基本的集成电路原理。示例性的，微波/毫米波集成电路芯片2可以为PCB版上设置金属图案，然后在对应的位置上焊接微波匹配子电路201、微波放大子电路202和电源处理子电路203，得到如图3所示微波/毫米波集成电路芯片2的平面示意图。
本发明实施例还提供一种光电探测器，包括上述任一实施例所述的光电探测器芯片电路，且具有上述任一实施例所述的光电探测器芯片电路带来的有益效果。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述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精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种光电探测器芯片，其特征在于，包括：预设光电探测器芯片和集成在所述预设光电探测器芯片上的汇聚透镜；
所述汇聚透镜用于将入射光信号汇聚到所述预设光电探测器芯片的光电转换感光面上。
2.如权利要求1所述的光电探测器芯片，其特征在于，所述预设光电探测器芯片为背入射光电探测器芯片，所述汇聚透镜集成在所述背入射光电探测器芯片的背面。
3.如权利要求2所述的光电探测器芯片，其特征在于，所述背入射光电探测器芯片的底面还设置有高反膜，所述高反膜用于将进入所述背入射光电探测器芯片内且透射过所述光电转换感光面的光束反射到所述光电转换感光面上。
4.一种光电探测器芯片电路，其特征在于，包括如权利要求1-3任一项所述的光电探测器芯片和微波/毫米波集成电路芯片；
所述光电探测器芯片设置在所述微波/毫米波集成电路芯片上，用于接收入射光信号，将所述入射光信号汇聚后转换为电信号并输入到所述微波/毫米波集成电路芯片的输入端；
所述微波/毫米波集成电路芯片用于对所述电信号进行匹配处理，并将处理后的电信号通过所述微波/毫米波集成电路芯片的输出端输出。
5.如权利要求4所述的光电探测器芯片电路，其特征在于，所述光电探测器芯片通过金锡合金焊接、金金键合、微凸点制备或倒装焊接的方式与所述微波/毫米波集成电路芯片的输入端连接。
6.如权利要求4或5所述的光电探测器芯片电路，其特征在于，所述微波/毫米波集成电路芯片，包括：微波匹配子电路和微波放大子电路；
所述微波匹配子电路的输入端为所述微波/毫米波集成电路芯片的输入端，所述微波匹配子电路的输出端与所述微波放大子电路的输入端连接，所述微波放大子电路的输出端为所述微波/毫米波集成电路芯片的输出端。
7.如权利要求6所述的光电探测器芯片电路，其特征在于，所述微波/毫米波集成电路芯片，还包括：电源处理子电路；
所述电源处理子电路的一端连接在所述光电探测器芯片的预设工作电源与所述光电探测器芯片之间，所述电源处理子电路的另一端接地，所述电源处理子电路用于对所述预设工作电源输出的预设工作电压进行滤波处理。
8.如权利要求7所述的光电探测器芯片电路，其特征在于，所述电源处理子电路包括：电容；
所述电容的一端连接在所述预设工作电源与所述光电探测器芯片之间，所述电容的另一端接地。
9.一种光电探测器，其特征在于，包括上述权利要求4-8中任一项所述的光电探测器芯片电路。
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2021
- 2021-12-06 CN CN202111479626.1A patent/CN114242811A/zh active Pending
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