CN115172487A - 一种二维光电探测器、光追踪装置和光通信系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二维光电探测器、光追踪装置和光通信系统。二维光电探测器包括至少一个第一光感芯片和至少一个第二光感芯片；第一光感芯片包括多个沿第一方向排列的第一光感单元；第二光感芯片包括多个沿第二方向排列的第二光感单元；第一光感单元包括第一光电二极管、第二光电二极管和第一挡墙结构；第一光电二极管、第一挡墙结构和第二光电二极管沿第一方向依次排列；第二光感单元包括第三光电二极管、第四光电二极管和第二挡墙结构；第三光电二极管、第二挡墙结构、第四光电二极管沿第二方向依次排列。采用上述技术方案，可以探测入射光线与二维光电探测器的光接收面在二维方向的角度，以解决光链路不稳定，光通信系统失准的问题。
Description
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种二维光电探测器、光追踪装置和光通信系统。
背景技术
随着水下导航、水下传感网络、海洋研究、海洋石油勘探和水产养殖等领域蓬勃发展，水下无线通信的研究也越来越多。其中，水下无线光通信成本较低、能耗较少，且具超过Gb/s的高速传输速率和长达数百米的远传输距离，即兼具高传输速率和远传输距离，使得其越来越多的被应用于水下探测领域。但是，水下环境会引起光线的折射和散射，容易对光链路产生负面影响，导致光通信系统失准。
发明内容
本发明提供了一种二维光电探测器、光追踪装置和光通信系统，以解决光链路不稳定，光通信系统失准的问题。
根据本发明的一方面，提供了一种二维光电探测器，包括至少一个第一光感芯片和至少一个第二光感芯片；
所述第一光感芯片包括多个沿第一方向排列的第一光感单元；所述第二光感芯片包括多个沿第二方向排列的第二光感单元；所述第一方向与所述第二方向相交，且所述第一方向和所述第二方向均平行于所述二维光电探测器的光接收面；
所述第一光感单元包括第一光电二极管、第二光电二极管和第一挡墙结构；所述第一光电二极管、所述第一挡墙结构和所述第二光电二极管沿所述第一方向依次排列；
所述第二光感单元包括第三光电二极管、第四光电二极管和第二挡墙结构；所述第三光电二极管、所述第二挡墙结构、所述第四光电二极管沿所述第二方向依次排列。
可选的，所述第一光电二极管的感光区域的面积等于所述第二光电二极管的感光区域的面积；所述第三光电二极管的感光区域的面积等于所述第四光电二极管的感光区域的面积。
可选的，所述第一光感芯片包括第一衬底；所述第一衬底包括多个沿所述第一方向排列的第一N阱区；所述第一N阱区内设置有至少一个第一P型掺杂区；各所述第一P型掺杂区沿所述第一方向排列；所述第一光电二极管和所述第二光电二极管分别包括由所述第一P型掺杂区与所述第一N阱区构成的PN结；
所述第二光感芯片包括第二衬底；所述第二衬底包括多个沿所述第二方向排列的第二N阱区；所述第二N阱区包括至少一个第二P型掺杂区；各所述第二P型掺杂区沿所述第二方向排列；所述第三光电二极管和所述第四光电二极管分别包括由所述第二P型掺杂区与所述第二N阱区构成的PN结。
可选的，在垂直于所述第一衬底所在平面的方向上，同一所述第一光感单元中，所述第一挡墙结构与所述第一光电二极管的所述第一P型掺杂区和所述第二光电二极管的所述第一P型掺杂区之间的间隙交叠；
在垂直于所述第二衬底所在平面的方向上，同一所述第二光感单元中，所述第二挡墙结构与所述第三光电二极管的所述第二P型掺杂区和所述第四光电二极管的所述第二P型掺杂区之间的间隙交叠。
可选的，所述第一衬底和所述第二衬底均包括硅基衬底。
可选的，所述第一挡墙结构的高度H1的取值范围为10μm≤H1≤14μm；所述第二挡墙结构的高度H2的取值范围为10μm≤H2≤14μm。
可选的，所述第一光电二极管的感光区域沿所述第一方向的长度L1的取值范围为13μm≤L1≤17μm；所述第二光电二极管的感光区域沿所述第一方向的长度L2为13μm≤L2≤17μm；其中，L1=L2；
所述第三光电二极管的感光区域沿所述第二方向的长度L3的取值范围为13μm≤L3≤17μm；所述第四光电二极管的感光区域沿所述第二方向的长度L4为13μm≤L4≤17μm；其中，L3=L4。
可选的，所述第一挡墙结构和所述第二挡墙结构均包括交错堆叠的金属层和介电层。
根据本发明的另一方面，提供了一种光追踪装置，包括上述二维光电探测器、光追踪电路和光追踪马达；所述光追踪电路分别与所述二维光电探测器和所述光追踪马达电连接；所述二维光电探测器与所述光追踪马达机械连接；
所述二维光电探测器的第一光电二极管接收到的入射光线转化为第一电流，所述二维光电探测器的第二光电二极管将接收到的入射光线转化为第二电流，所述二维光电探测器的第三光电二极管将接收到的入射光线转化为第三电流，所述二维光电探测器的第四光电二极管将接收到的入射光线转化为第四电流；
所述光追踪电路用于根据所述第一电流、所述第二电流、所述第三电流和所述第四电流确定所述入射光线与所述二维光电探测器的光接收面的角度值，并根据所述入射光线的角度值输出控制信号至所述光追踪马达；
所述光追踪马达用于根据所述控制信号运转，带动所述二维光电探测器旋转，以调整所述入射光线与所述二维光电探测器的光接收面的角度值至预设范围。
根据本发明的另一方面，提供了一种光通信系统，包括信号输出模块、激光发射器、信号接收模块以及上述的光追踪装置；
所述信号输出模块与所述激光发射器电连接；所述光追踪装置与所述信号接收模块电连接；所述激光发射器与所述光追踪装置光通信连接；
所述信号输出模块用于输出第一数字信号至激光发射器；所述激光发射器用于根据所述第一数字信号射出光信号至所述光追踪装置；所述光追踪装置的二维光电探测器用于接收所述光信号，并将所述光信号转化为模拟信号输出至信号接收模块；所述信号接收模块用于接收所述模拟信号，并将所述模拟信号转化为第二数字信号。
本发明实施例的二维光电探测器，包括至少一个第一光感芯片和至少一个第二光感芯片，第一光感芯片包括多个第一光电二极管、多个第二光电二极管和多个第一挡墙结构，第一光感芯片可随入射光线与二维光电探测器的光接收面在第一方向的角度变化产生不同的第一电流和/或第二电流；第二光感芯片包括多个第三光电二极管、多个第四光电二极管和多个第二挡墙结构，第二光感芯片可随入射光线与二维光电探测器的光接收面在第二方向的角度变化产生不同的第三电流和/或第四电流；根据第一电流、第二电流、第三电流和第四电流，可以探测入射光线与二维光电探测器的光接收面在二维方向的角度。
应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种二维光电探测器的俯视结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种第一光感单元的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种第二光感单元的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的又一种第一光感单元的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种第一光感单元的俯视结构示意图；
图6为本发明实施例提供的一种第二光感单元的俯视结构示意图；
图7为本发明实施例提供的一种第一电流、第二电流、第三电流和第四电流与入射光线与二维光电探测器的光接收面沿第一方向和第二方向的角度值的关系图；
图8为本发明实施例提供的又一种第一光感单元的结构示意图；
图9为本发明实施例提供的又一种第一光感单元的结构示意图；
图10为本发明实施例提供的一种光追踪装置的结构框图；
图11为本发明实施例提供的一种光通信系统的结构框图；
图12为本发明实施例提供的又一种光通信系统的结构框图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
图1为本发明实施例提供的一种二维光电探测器的俯视结构示意图，图2为本发明实施例提供的一种第一光感单元的结构示意图，图3为本发明实施例提供的一种第二光感单元的结构示意图。参考图1，二维光电探测器10包括至少一个第一光感芯片100和至少一个第二光感芯片200；第一光感芯片100包括多个沿第一方向X排列的第一光感单元110；第二光感芯片200包括多个沿第二方向Y排列的第二光感单元210；第一方向X与第二方向Y相交，且第一方向X和第二方向Y均平行于二维光电探测器10的光接收面。参考图2，第一光感单元110包括第一光电二极管111、第二光电二极管112和第一挡墙结构113；第一光电二极管111、第一挡墙结构113和第二光电二极管112沿第一方向X依次排列。参考图3，第二光感单元210包括第三光电二极管211、第四光电二极管212和第二挡墙结构213；第三光电二极管211、第二挡墙结构213、第四光电二极管212沿第二方向Y依次排列。
继续参考图1-图3，二维光电探测器10包括至少一个第一光感芯片100和至少一个第二光感芯片200，每个第一光感芯片100可以包括多个第一光电二极管111和多个第二光电二极管112，每个第二感光芯片200可以包括多个第三光电二极管211和多个第四光电二极管212，即二维光电探测器10中包括多个第一光电二极管111、多个第二光电二极管112、多个第三光电二极管211、多个第四光电二极管212；第一光电二极管111包括感光区域101，第二光电二极管112包括感光区域102，第三光电二极管211包括感光区域201，第四光电二极管212包括感光区域202。第一光感芯片100包括多个第一挡墙结构113，沿第一方向X，第一挡墙结构113位于感光区域101和感光区域102之间，第一挡墙结构113高于感光区域101和感光区域102，用于遮挡从感光区域101至感光区域102的或者从感光区域102至感光区域101的至少部分光线；第二光感芯片200包括多个第二挡墙结构213，沿第二方向Y，第二挡墙结构213位于感光区域201和感光区域202之间，第二挡墙结构213高于感光区域201和感光区域202，用于遮挡从感光区域201至感光区域202的或者从感光区域202至感光区域201的至少部分光线。
可以理解的是，第一光感单元110并不仅限于图2所示的结构，还可以是图4所示的结构，只要满足第一光电二极管111、第一挡墙结构113和第二光电二极管112沿第一方向X依次排列，且第一挡墙结构113可遮挡从感光区域101至感光区域102的或者从感光区域102至感光区域101的至少部分光线即可，本发明实施例对此不做具体限定；第二光感单元210也不仅限于图3所示的结构，本发明实施例对此也不做具体限定。
具体的，二维光电探测器10的所有第一光电二极管111可通过其感光区域101接收光照辐射产生电流，形成第一电流I1，第一电流I1可表示二维光电探测器10的所有第一光电二极管111产生的电流的总和；二维光电探测器10的所有第二光电二极管112可通过其感光区域102接收光照辐射产生电流，形成第二电流I2，第二电流I2可表示二维光电探测器10的所有第二光电二极管112产生的电流的总和；同理，二维光电探测器10的所有第三光电二极管211可通过其感光区域201接收光照辐射产生电流，形成第三电流I3，第三电流I3可表示二维光电探测器10的所有第三光电二极管211产生的电流的总和；二维光电探测器10的所有第四光电二极管212可通过其感光区域202接收入射光线的光照辐射产生电流，形成第四电流I4，第四电流I4可表示二维光电探测器10的所有第四光电二极管212产生的电流的总和。在入射光线的光照强度不变的情况下，若入射光线与二维光电探测器的光接收面的角度发生变化，会导致第一电流I1、第二电流I2、第三电流I3第四电流I4的一个或多个发生变化。
示例性的，在入射光线的光照强度不变的情况下，当入射光线垂直照射至二维光电探测器10的光接收面时，即入射光线沿第一方向X与第一挡墙结构113的夹角α为零，且入射光线沿第二方向Y与第二挡墙结构213的夹角β也为零时，感光区域101、感光区域102、感光区域201和感光区域202的各个部分均可以接收到光照辐射，此时，第一电流I1、第二电流I2、第三电流I3和第四电流I4均处于最大值。在入射光线的光照强度不变的情况下，当入射光线不再垂直照射至二维光电探测器10的光接收面时，即入射光线沿第一方向X与第一挡墙结构113的夹角α不为零，和/或，入射光线沿第二方向Y与第二挡墙结构213的夹角β不为零时，第一挡墙结构113会阻挡至少部分入射光线照射至第一光感芯片100的第一光电二极管111或第二光电二极管112，第一电流I1或第二电流I2会减小；第二挡墙结构213会阻挡至少部分入射光线照射至第二光感芯片200的第三光电二极管211或第四光电二极管212，第三电流I3或第四电流I4会减小。以图2为例，夹角α不为零时，在感光区域102会形成阴影103，感光区域102可接收光照辐射的面积减小，即第二电流I2也随之减小。以图3为例，夹角β不为零时，在感光区域202会形成阴影203，感光区域202可接收光照辐射的面积减小，即第四电流I4也随之减小。根据第一电流I1、第二电流I2、第三电流I3和第四电流I4中的一个或多个的变化，可以确定入射光线与二维光电探测器10的光接收面的角度的变化。
可选的，图5为本发明实施例提供的一种第一光感单元的俯视结构示意图，图6为本发明实施例提供的一种第二光感单元的俯视结构示意图。参考图5和图6，第一光电二极管111的感光区域101的面积等于第二光电二极管112的感光区域102的面积；第三光电二极管211的感光区域201的面积等于第四光电二极管212的感光区域202的面积。
示例性的，入射光线垂直照射至二维光电探测器10的光接收面时，第一电流I1等于第二电流I2，第三电流I3等于第四电流I4。当入射光线沿第一方向X与第一挡墙结构113的夹角α不为零时，以图2为例，在感光区域102形成阴影103，感光区域102可接收光照辐射的面积减小，第二电流I2小于第一电流I1。当入射光线沿第二方向Y与第二挡墙结构213的夹角β不为零时，以图3为例，在感光区域202形成阴影203，感光区域202可接收光照辐射的面积减小，第四电流I4小于第三电流I3。图7为本发明实施例提供的一种第一电流I1、第二电流I2、第三电流I3和第四电流I4与入射光线与二维光电探测器10的光接收面沿第一方向X和第二方向Y的角度值的关系图，根据第一电流I1与第二电流I2的比值和第三电流I3与第四电流I4的比值，可以确定入射光线与二维光电探测器10的光接收面沿第一方向X和第二方向Y的角度值。
本发明实施的二维光电探测器，包括至少一个第一光感芯片和至少一个第二光感芯片，第一光感芯片包括多个第一光电二极管、多个第二光电二极管和多个第一挡墙结构，第一光感芯片可随入射光线与二维光电探测器的光接收面在第一方向的角度变化产生不同的第一电流和/或第二电流；第二光感芯片包括多个第三光电二极管、多个第四光电二极管和多个第二挡墙结构，第二光感芯片可随入射光线与二维光电探测器的光接收面在第二方向的角度变化产生不同的第三电流和/或第四电流；根据第一电流、第二电流、第三电流和第四电流，可以探测入射光线与二维光电探测器的光接收面在二维方向的角度。
可选的，图8为本发明实施例提供的又一种第一光感单元的结构示意图。参考图8，第一光感芯片10包括第一衬底120，图8仅示出了位于第一光感单元110的部分第一衬底120；第一衬底120包括多个沿第一方向X排列的第一N阱区121；第一N阱区121内设置有至少一个第一P型掺杂区122；各第一P型掺杂区122沿第一方向X排列；第一光电二极管111和第二光电二极管112分别包括由第一P型掺杂区122与第一N阱区121构成的PN结。同理，第二光感芯片包括第二衬底；第二衬底包括多个沿第二方向排列的第二N阱区；第二N阱区包括至少一个第二P型掺杂区；各第二P型掺杂区沿第二方向Y排列；第三光电二极管和第四光电二极管分别包括由第二P型掺杂区与第二N阱区构成的PN结。
示例性的，在第一衬底120靠近光接收面一侧进行N型掺杂，可形成第一N阱区121，每个第一光感单元110可包括一个第一N阱区121；在第一N阱区121靠近光接收面一侧进行P型掺杂，可形成第一P型掺杂区122，每个第一光感单元110可包括两个第一P型掺杂区122；两个第一P型掺杂区122可分别与第一N阱区121构成PN结，形成第一光电二极管111和第二光电二极管112，此时，第一光电二极管111和第二光电二极管112共用第一N阱区121。在其它可选的实施例中，每个第一光感单元110也可包括两个第一N阱区121和两个第一P型掺杂区122，即第一光电二极管111和第二光电二极管112不共用第一N阱区121，本发明实施例对比不做具体限定。同理，第二光感芯片200的结构与第一光感芯片100的结构类似，本发明实施例不再赘述。
以图8所示的第一光电二极管111为例，第一P型掺杂区122与第一N阱区121构成的PN结在反向电压之下工作，当有入射光线照射至感光区域101时，第一P型掺杂区122会产生电子-空穴对，在反向电压的作用下，电子向第一N阱区121运动，形成反向电流，即第一电流I1。第一衬底120可以是P型轻掺杂衬底结构，与第一P型掺杂区122和第一N阱区121构成PNP型结构，使得第一光电二极管111的大部分区域可以在复位时完全耗尽，提高第一光电二极管111的光感载流子的收集效率，可提高第一光电二极管111的灵敏度。
可选的，继续参考图8，在垂直于第一衬底120所在平面的方向上，同一第一光感单元110中，第一挡墙结构113与第一光电二极管111的第一P型掺杂区122和第二光电二极管112的第一P型掺杂区122之间的间隙交叠。同理，在垂直于第二衬底所在平面的方向上，同一第二光感单元中，第二挡墙结构与第三光电二极管的第二P型掺杂区和第四光电二极管的第二P型掺杂区之间的间隙交叠。
示例性的，如图8所示，在第一光感单元110中，左侧的第一P型掺杂区122靠近入射光线的一侧表面可作为第一光电二极管111的感光区域101，右侧的第一P型掺杂区122靠近入射光线的一侧表面可作为第二光电二极管112的感光区域102。同理，第二光感单元210中，两个第二P型掺杂区靠近入射光线的一侧表面可分别作为第三光电二极管211的感光区域201和第四光电二极管212的感光区域202。第一挡墙结构113可位于感光区域101和感光区域102之间，第二挡墙结构213可位于感光区域201和感光区域202之间，当入射光线未垂直照射至二维光电探测器10的光接收面时，第一挡墙结构113会在感光区域101或感光区域102上形成阴影103，和/或，第二挡墙结构213会在感光区域201或感光区域202上形成阴影203，影响第一电流I1或第二电流I2，和/或，第三电流I3或第四电流I4。
可选的，第一衬底和第二衬底均包括硅基衬底，硅基衬底的带隙电压约为1.12V，使用硅基衬底的第一光感芯片和第二光感芯片可以吸收1.1μm以下的光波长。
可选的，继续参考图8，第一挡墙结构的高度H1的取值范围为10μm≤H1≤14μm；第二挡墙结构的高度H2的取值范围为10μm≤H2≤14μm。
示例性的，第一挡墙结构的高度H1可为12μm，第二挡墙结构的高度H2也可为12μm，第一挡墙结构的高度H1和第二挡墙结构的高度H2的物理尺寸远大于吸收的光波长，可有效避免光的衍射现象。
可选的，参考图5、图6和图8，第一光电二极管111的感光区域101沿第一方向X的长度L1的取值范围为13μm≤L1≤17μm；第二光电二极管112的感光区域102沿第一方向X的长度L2为13μm≤L2≤17μm；其中，L1=L2。第三光电二极管211的感光区域201沿第二方向Y的长度L3的取值范围为13μm≤L3≤17μm；第四光电二极管212的感光区域202沿第二方向Y的长度L4为13μm≤L4≤17μm；其中，L3=L4。
示例性地，感光区域101沿第一方向X的长度L1可为15μm，感光区域1201沿第一方向X的长度L2可为15μm，即相连两个第一光感单元110的第一挡墙结构113之间的距离为30μm；感光区域201沿第二方向Y的长度L3可为15μm，感光区域202沿第二方向X的长度L4可为15μm，即相连两个第二光感单元210的第二挡墙结构213之间的距离为30μm，物理尺寸远大于吸收的光波长，可有效避免光的衍射现象。感光区域101沿第二方向Y的长度L1’可与第一光感芯片100沿第二方向Y的长度相同，例如可以是620μm，感光区域201沿第二方向Y的长度L2’等于感光区域101沿第二方向Y的长度L1’；第一光感芯片100沿第一方向X的长度也可以是620μm，即第一光感芯片100可以是620μm×620μm的方形芯片。感光区域201沿第一方向X的长度L3’可与第二光感芯片200沿第一方向X的长度相同，例如可以是620μm，感光区域202沿第一方向X的长度L4’等于感光区域201沿第一方向X的长度L3’；第二光感芯片200沿第二方向Y的长度也可以是620μm，即第二光感芯片200也可以是620μm×620μm的方形芯片。
可选的，图9为本发明实施例提供的又一种第一光感单元的结构示意图。参考图1和图9，第一挡墙结构113和第二挡墙结构213均包括交错堆叠的金属层131和介电层132。
示例性的，可利用采用半导体工艺堆叠金属层131、触点和工艺中可用的孔而形成金属墙，金属层131之间的介电层132例如可以是二氧化硅（SiO2），第一挡墙结构113采用堆叠金属层131和介电层132结构，实现叠层金属间化合物连接，可提高第一挡墙结构113的可靠性。同理，第二挡墙结构213与第一挡墙结构113类似，本发明实施例不再赘述。
基于同样的发明思路，本发明实施例还提供一种光追踪装置，图10为本发明实施例提供的一种光追踪装置的结构框图。参考图10，光追踪装置01包括权本发明任意实施例所提供的二维光电探测器10、光追踪电路20和光追踪马达30；光追踪电路20分别与二维光电探测器10和光追踪马达30电连接；二维光电探测器10和光追踪马达30之间机械连接。
具体的，二维光电探测器10的第一光电二极管111可将接收到的入射光线转化为第一电流，二维光电探测器10的第二光电二极管112可将接收到的入射光线转化为第二电流，二维光电探测器10的第三光电二极管211可将接收到的入射光线转化为第三电流，二维光电探测器10的第四光电二极管212可将接收到的入射光线转化为第四电流；光追踪电路20用于根据第一电流、第二电流、第三电流和第四电流确定入射光线与二维光电探测器10的光接收面的角度值，并根据入射光线的角度值输出控制信号至光追踪马达30；光追踪马达30用于根据控制信号运转，带动二维光电探测器10旋转，以调整入射光线与二维光电探测器10的光接收面的角度值至预设范围。
其中，预设范围是指理论垂直范围，例如可以是入射光线沿第一方向X与二维光电探测器10的光接收面的角度值和入射光线沿第二方向Y与二维光电探测器10的光接收面的角度值均处于85°～95°的范围内。
示例性的，在入射光线未垂直照射至二维光电探测器10的光接收面时，二维光电探测器10的光信号接收效果并不理想，可能会导致光信号失准，影响最终光通信的效果，导致误码率较低，二维光电探测器10可根据入射光线分别形成第一电流I1、第二电流I2、第三电流I3和第四电流I4，光追踪电路20根据第一电流I1、第二电流I2、第三电流I3和第四电流I4可确定入射光线与二维光电探测器10的光接收面的角度值，通过光追踪马达30控制二维光电探测器10旋转，使得入射光线与二维光电探测器10的光接收面的角度值处于预设范围内。如此，即便入射光线未垂直照射至二维光电探测器10的光接收面，依旧可以通过光追踪装置01调整二维光电探测器10的光接收面，使得入射光线垂直照射至二维光电探测器10的光接收面，提高二维光电探测器10的光信号接收效果，可将二维光电探测器10的光接收面的接收视场在二维方向上扩大至120°，并达到1.9°的对准精度。
本发明实施的光追踪装置，通过二维光电探测器可以探测入射光线与二维光电探测器的光接收面在二维方向的角度，通过光追踪电路可以确定入射光线与二维光电探测器的光接收面在二维方向的角度值，并控制光追踪马达带动二维光电探测器的光接收面旋转，以使得入射光线垂直照射至光接收面；光追踪装置对入射光线的角度的感知和控制具有较好的灵敏度，可以提高光信号接收效果和准确度，进而提高光通信效果。
本发明实施例所提供的光追踪装置包括本发明任意实施例所提供的二维光电探测器，具备二维光电探测器相应的功能模块和有益效果。
基于同样的发明思路，本发明实施例还提供一种光通信系统，图11为本发明实施例提供的一种光通信系统的结构框图。参考图11，光通信系统包括本发明任意实施例所提供的光追踪装置01、信号输出模块03、激光发射器02、信号接收模块04；信号输出模块03与激光发射器02电连接；光追踪装置01与信号接收模块04电连接；激光发射器02与光追踪装置01光通信连接。
具体的，信号输出模块03用于输出第一数字信号至激光发射器02；激光发射器02用于根据第一数字信号射出光信号至光追踪装置01；光追踪装置01的二维光电探测器10用于接收光信号，并将光信号转化为模拟信号输出至信号接收模块04；信号接收模块04用于接收模拟信号，并将模拟信号转化为第二数字信号。
示例性的，可采用激光二极管（Laser Direct Structuring ,LDs）作为激光发射器02，激光发射器02具有更高的相干性和追执行，更加适用于调制带宽超过GHz的无线光通信系统，即便在环境光功率密度为11.4μW/cm2的环境中，激光发射器02的LDs的功率密度由600μW/cm2降低至33μW/cm2时，二维光电探测器10的光接收面的接收视场在二维方向上仍可达到120°，并达到1.9°的对准精度。
此外，信号输出模块03和信号接收模块04之间可采用无归零开关键控（NRZ-OOK）调制方法，使得传输效率更高，误码率更低。信号输出模块03可输出二进制序列的第一数字信号，通过LDs以光信号的形式传输出去，光追踪装置01可接收光信号，并调整二维光电探测器10的光接收面，使得入射光线的角度达到最佳，以提高对准度，光追踪装置01将接收的光信号以电流的形式输出至信号接收模块04，信号接收模块04可以根据电流信号得到二进制序列的第二数字信号。
本发明实施例的光通信系统，通过信号输出系统可输出二进制序列的第一数字信号；通过激光发射器，可以将第一数字信号以光信号的形式输出至光追踪装置；光追踪装置可根据入射光线调整二维光电探测器10的光接收面，使得入射光线的角度达到最佳，并将光信号转化为电流输出至信号接收模块；通过信号接收模块可以将电流转化为二进制的第二数字信号，可实现较高的输出传输速率和较低的误码率，使得无线光通信链路更加坚实可靠，更适用于实际的无线通信应用。
可选的，图12为本发明实施例提供的又一种光通信系统的结构框图。参考图12，光通信系统还包括直流电源06、偏置器05、放大器07和滤波器08；信号输出模块03通过偏置器05与激光发射器02电连接；直流电源06通过偏置器05与激光发射器02电连接；光追踪装置01通过放大器07和滤波器08与信号接收模块04电连接。
示例性的，信号输出模块03可生成而二进制序列作为第一数字信号，直流电源06和偏置器05可形成直流偏置驱动激光发射器02发光，光追踪装置01接收光信号并产生电流，放大器07可实现功率放大，并由滤波器08低通滤波，最后由信号接收模块04解码转化为二进制序列的第二数组信号。如此，可提高光通信系统的鲁棒性。
本发明实施例所提供的光通信系统包括本发明任意实施例所提供的光追踪装置，具备光追踪装置相应的功能模块和有益效果。
应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。
Claims (10)
1.一种二维光电探测器，其特征在于，包括至少一个第一光感芯片和至少一个第二光感芯片；
所述第一光感芯片包括多个沿第一方向排列的第一光感单元；所述第二光感芯片包括多个沿第二方向排列的第二光感单元；所述第一方向与所述第二方向相交，且所述第一方向和所述第二方向均平行于所述二维光电探测器的光接收面；
所述第一光感单元包括第一光电二极管、第二光电二极管和第一挡墙结构；所述第一光电二极管、所述第一挡墙结构和所述第二光电二极管沿所述第一方向依次排列；
所述第二光感单元包括第三光电二极管、第四光电二极管和第二挡墙结构；所述第三光电二极管、所述第二挡墙结构、所述第四光电二极管沿所述第二方向依次排列。
2.根据权利要求1所述的二维光电探测器，其特征在于，所述第一光电二极管的感光区域的面积等于所述第二光电二极管的感光区域的面积；所述第三光电二极管的感光区域的面积等于所述第四光电二极管的感光区域的面积。
3.根据权利要求1所述的二维光电探测器，其特征在于，所述第一光感芯片包括第一衬底；所述第一衬底包括多个沿所述第一方向排列的第一N阱区；所述第一N阱区内设置有至少一个第一P型掺杂区；各所述第一P型掺杂区沿所述第一方向排列；所述第一光电二极管和所述第二光电二极管分别包括由所述第一P型掺杂区与所述第一N阱区构成的PN结；
所述第二光感芯片包括第二衬底；所述第二衬底包括多个沿所述第二方向排列的第二N阱区；所述第二N阱区包括至少一个第二P型掺杂区；各所述第二P型掺杂区沿所述第二方向排列；所述第三光电二极管和所述第四光电二极管分别包括由所述第二P型掺杂区与所述第二N阱区构成的PN结。
4.根据权利要求3所述的二维光电探测器，其特征在于，在垂直于所述第一衬底所在平面的方向上，同一所述第一光感单元中，所述第一挡墙结构与所述第一光电二极管的所述第一P型掺杂区和所述第二光电二极管的所述第一P型掺杂区之间的间隙交叠；
在垂直于所述第二衬底所在平面的方向上，同一所述第二光感单元中，所述第二挡墙结构与所述第三光电二极管的所述第二P型掺杂区和所述第四光电二极管的所述第二P型掺杂区之间的间隙交叠。
5.根据权利要求3所述的二维光电探测器，其特征在于，所述第一衬底和所述第二衬底均包括硅基衬底。
6.根据权利要求1所述的二维光电探测器，其特征在于，所述第一挡墙结构的高度H1的取值范围为10μm≤H1≤14μm；所述第二挡墙结构的高度H2的取值范围为10μm≤H2≤14μm。
7.根据权利要求1所述的二维光电探测器，其特征在于，所述第一光电二极管的感光区域沿所述第一方向的长度L1的取值范围为13μm≤L1≤17μm；所述第二光电二极管的感光区域沿所述第一方向的长度L2为13μm≤L2≤17μm；其中，L1=L2；
所述第三光电二极管的感光区域沿所述第二方向的长度L3的取值范围为13μm≤L3≤17μm；所述第四光电二极管的感光区域沿所述第二方向的长度L4为13μm≤L4≤17μm；其中，L3=L4。
8.根据权利要求1所述的二维光电探测器，其特征在于，所述第一挡墙结构和所述第二挡墙结构均包括交错堆叠的金属层和介电层。
9.一种光追踪装置，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的二维光电探测器、光追踪电路和光追踪马达；所述光追踪电路分别与所述二维光电探测器和所述光追踪马达电连接；所述二维光电探测器与所述光追踪马达机械连接；
所述二维光电探测器的第一光电二极管将接收到的入射光线转化为第一电流，所述二维光电探测器的第二光电二极管将接收到的入射光线转化为第二电流，所述二维光电探测器的第三光电二极管将接收到的入射光线转化为第三电流，所述二维光电探测器的第四光电二极管将接收到的入射光线转化为第四电流；
所述光追踪电路用于根据所述第一电流、所述第二电流、所述第三电流和所述第四电流确定所述入射光线与所述二维光电探测器的光接收面的角度值，并根据所述入射光线的角度值输出控制信号至所述光追踪马达；
所述光追踪马达用于根据所述控制信号运转，带动所述二维光电探测器旋转，以调整所述入射光线与所述二维光电探测器的光接收面的角度值至预设范围。
10.一种光通信系统，其特征在于，包括权利要求9所述的光追踪装置、信号输出模块、激光发射器、信号接收模块；
所述信号输出模块与所述激光发射器电连接；所述光追踪装置与所述信号接收模块电连接；所述激光发射器与所述光追踪装置光通信连接；
所述信号输出模块用于输出第一数字信号至激光发射器；所述激光发射器用于根据所述第一数字信号射出光信号至所述光追踪装置；所述光追踪装置的二维光电探测器用于接收所述光信号，并将所述光信号转化为模拟信号输出至信号接收模块；所述信号接收模块用于接收所述模拟信号，并将所述模拟信号转化为第二数字信号。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20221011 |