CN209328907U - 一种具有可见光带通滤波功能的硅基光电探测器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及可见光光电探测器技术领域，尤其涉及一种具有可见光带通滤波功能的硅基光电探测器，包括多膜层复合滤波薄膜和外壳；外壳内设有硅基光电探测器芯片与引线，外壳的底部外侧设有引脚，引线用于连接引脚和硅基光电探测器芯片电极，外壳的顶部为用于光入射的窗口玻璃；所述多膜层复合滤波薄膜包括多种折射率交替分布的膜层；多膜层复合滤波薄膜位于窗口玻璃的上表面或下表面，或位于硅基光电探测器芯片表面的钝化膜上。通过将多膜层复合滤波薄膜集成在外壳顶部的窗口玻璃或硅基光电探测器芯片表面的钝化膜上，使得硅基光电探测器集成了滤波功能，结构简单、集成度高、体积较小、易于制作、成本低，无需外加滤波器，即能对背景杂散光进行有效滤波，同时还能有效降低入射信号的损失。
Description
技术领域
本实用新型涉及可见光光电探测器技术领域，尤其涉及一种具有可见光带通滤波功能的硅基光电探测器。
背景技术
近年来，随着白光发光二极管(Light Emitting Diode，LED)的大面积推广和普及，同时由于白光LED具有调制带宽较高、调制性能好、响应灵敏度高等优点，因此以白光LED为信源的可见光通信(Visible Light Communication,VLC)系统日益受到研究人员的关注。通过将信号调制到白光LED的发光波段上进行传输，VLC系统就兼具了照明与信号传输的功能。此外，和现有通信技术相比，VLC还具有传输速率高、无电磁辐射、频谱丰富、保密性高、成本低等优点。
然而，现行的VLC技术中还存在着一系列亟待解决的问题：例如随着传输距离的增加，光信号不断衰减，加上强烈的背景杂散光和固有电路噪声的干扰，常常导致接收端接收到的信号比较微弱。因此，为了精确接收信号，采用灵敏度高、响应速度快、能有效滤除背景杂散光的光电探测器是行之有效的方法之一。
目前在VLC系统中用作发射端光源的白光LED主要有两种形式：1)以基于InGaN/GaN多重量子阱的蓝光LED激发黄光荧光粉发出白光；2)InGaN蓝光LED与红、绿光LED组合发出白光。在传统的基于红外的光纤通信中，光源采用InGaAs/GaAs多重量子阱的激光二极管(LD)，而信号接收端的探测器元件则采用InGaAs光电探测器，信号发射光纤传输，不受环境光的影响，且InGaAs是直接带隙半导体，其光电探测器的量子效率高，与InGaAs基的LD光源可以形成良好的匹配；在可见光通信中，由于信号传输链路多在空气介质中，背景光(如日光)对光信号会产生很强的影响，情况严重时甚至会淹没光信号，因此需要接收信号的探测器具有滤波功能。如以InGaN为感光材料，并利用能带工程，即采用具有较宽禁带的InGaN作为窗口层，采用吸收边与LED发光峰一致的InGaN层作为吸收层，是可以使探测器的吸收光谱与光源的发射光谱保持一致的。但是，由于目前InGaN外延材料的结晶质量受到相分离、晶格失配导入位错等因素的影响，使得通过InGaN异质结构制作具有滤波功能InGaN可见光带通光电探测器十分困难、性能也达不到应用要求。当前，普遍采用的方法是，采用不具备波长选择性的商用Si、GaP或者GaAs光电探测器接收可见光信号，再通过外加滤波器对接收的光进行滤波，从而消除背景噪声的干扰。这种外加可见光滤波器的方法，不但存在着波长选择性较差、损耗较高、带通宽度过宽或者过窄等不足，而且还使得信号接收端的体积增大、成本升高等，不符合可见光通信小型化、低成本的发展趋势，限制了其在VLC系统中的应用。
发明内容
本实用新型为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种具有可见光带通滤波功能的硅基光电探测器，这种集成了多膜层复合滤波薄膜的硅基光电探测器具有结构简单、集成度高、体积较小、易于制作、成本低的优点，无需外加滤波器，即能对背景杂散光进行有效滤波；同时由于多膜层复合滤波薄膜在可见光带通波段具有高透射率，还能有效降低入射光信号的损失。
为达到上述目的，本实用新型采取的技术方案是：提供一种具有可见光带通滤波功能的硅基光电探测器，包括多膜层复合滤波薄膜和外壳；外壳内设有硅基光电探测器芯片与引线，外壳的底部外侧设有引脚，引线用于连接引脚和硅基光电探测器芯片电极，外壳的顶部为用于光入射的窗口玻璃；所述多膜层复合滤波薄膜包括多种折射率交替分布的膜层；多膜层复合滤波薄膜位于窗口玻璃的上表面或下表面，或位于硅基光电探测器芯片表面的钝化膜上；所述硅基光电探测器为金属壳型(TO)封装结构、表面贴装(SMD)结构或通孔封装(THD)结构；硅基光电探测器芯片正对窗口玻璃。
运用干涉膜滤波法的原理，通过使用多种折射率交替分布的膜层来实现滤波功能。
上述方案中，通过将多膜层复合滤波薄膜集成在外壳顶部的窗口玻璃或硅基光电探测器芯片表面的钝化膜上，使得硅基光电探测器集成了滤波功能，结构简单、集成度高、体积较小、易于制作、成本低，无需外加滤波器，即能对背景杂散光进行有效滤波，同时由于多膜层复合滤波薄膜在可见光带通波段具有高透射率，还能有效降低信号能量的损失。
优选地，多膜层复合滤波薄膜包括两种高低折射率交替分布的膜层。
进一步优选地，两种高低折射率交替分布的膜层分别为TiO2膜层和SiO2膜层；TiO2膜层折射率为2.35～2.82，SiO2膜层折射率为1.4～1.5。利用离子辅助电子束蒸发在窗口玻璃上交替沉积高折射率的TiO2膜层和低折射率的SiO2膜层形成多膜层复合滤波薄膜。
优选地，多膜层复合滤波薄膜包括15～80个膜层。
优选地，多膜层复合滤波薄膜各膜层厚度为5～400nm。
优选地，多膜层复合滤波薄膜带通滤波的波长为为435～465nm。这样设置使得该硅基光电探测器具备如下功能：a.在小于435nm或大于465nm波长范围内透射率小于5％；b.在大于435nm且小于465nm波长范围内透射率大于90％。该硅基光电探测器具有蓝光带通滤波的特性，可见光只有蓝光(435～465nm)波段的光能够有效透过多膜层复合滤波薄膜到达硅基光电探测器，产生光电流，从而使光信号转变为电信号。通过集成该多膜层复合滤波薄膜，有利于降低损耗和减小整个接收端的体积；多膜层复合滤波薄膜的波长选择性优良并且带通宽度较宽，能更好的探测光信号。
硅基光电探测器由于在可见光范围内外量子效率较高，成本低廉而且适合批量生产，因而用在了光信号的接收端。在可见光通信方面，较为广泛使用的是PIN型光电探测器和雪崩光电二极管探测器。其中，PIN型光电探测器具有体积小、噪声低、响应速度快、光谱响应性能好等优点；雪崩光电二极管具有高内部增益、高灵敏度等优点。另外，本实用新型的内容也适用于其他类型的硅基光电探测器。
本实用新型运用干涉膜滤波法的原理，通过使用两种高低折射率的介质膜交替沉积构成的多膜层复合滤波薄膜来实现滤波功能，通过优化设计多膜层复合滤波薄膜中各个膜层的数量和厚度，极大改善了滤波性能；同时，多膜层复合薄膜在光入射窗口玻璃或硅基光电探测器芯片上的集成也极大简化了VLC系统光接收端的体积，减小了光探测的损耗；由于硅基光电探测器芯片目前技术成熟、成本很低，并且对300～1300nm波长范围的光都有响应，这使得集成优良滤波性能的硅基光电探测器成为VLC系统接收端的理想选择。
本实用新型在传统硅基光电探测器上集成多膜层复合滤波薄膜，使得该硅基光电探测器能够对入射光进行有效滤波，只通过VCL系统信号源发射的信号光，这种多膜层复合滤波薄膜能够滤除蓝光(435～465nm)以外的可见光波段，甚至对近红外的光波段都具有优良的滤波效果。因此VCL系统的信号源可以以蓝光作为载体发射光信号，该硅基光电探测器仅对该波段的光发生响应；同时由于目前常用的InGaN基蓝光LED峰值波长约为450～455nm，发光光谱半宽度约为18～22nm，而本实用新型中多膜层复合滤波薄膜的带通宽度约为30nm，中心波长约450nm，带通范围内光波平均透过率约为96％，滤波范围内其余光波段透过率均小于5％，因此这种具有可见光带通滤波功能的硅基光电探测器非常适用于可见光通信系统的接收端。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：通过将多膜层复合滤波薄膜集成在外壳顶部的窗口玻璃或硅基光电探测器芯片表面的钝化膜上，使得硅基光电探测器集成了滤波功能，结构简单、集成度高、体积较小、易于制作、成本低，无需外加滤波器，即能对背景杂散光进行有效滤波，同时由于多膜层复合滤波薄膜在可见光带通波段具有高透射率，还能有效降低信号能量的损失。
附图说明
图1为本实施例一种具有可见光带通滤波功能的硅基光电探测器的结构示意图。
图2为本实施例中多膜层复合滤波薄膜的模型简图；其中A、B分别为TiO2膜层、SiO2膜层，按照优化设计的结果交替沉积这两种膜层即可得到具有优异滤波性能的多膜层复合滤波薄膜。
图3为本实施例中多膜层复合滤波薄膜的带通滤波特性图。
附图标记：多膜层复合滤波薄膜1；外壳2；硅基光电探测器芯片3；引线4；窗口玻璃5；引脚6。
具体实施方式
本实用新型附图仅用于示例性说明，不能理解为对本实用新型的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
实施例
本实施例提供了一种具有可见光带通滤波功能的硅基光电探测器，如图1所示，包括多膜层复合滤波薄膜1和外壳2；外壳2内设有硅基光电探测器芯片3与引线4，外壳2的底部外侧设有引脚6，引线4用于连接引脚6和硅基光电探测器芯片3电极，外壳2的顶部为用于光入射的窗口玻璃5；所述多膜层复合滤波薄膜1包括多种折射率交替分布的膜层；多膜层复合滤波薄膜1位于窗口玻璃5的上表面或下表面，或位于硅基光电探测器芯片3表面的钝化膜上；所述硅基光电探测器为金属壳型(TO)封装结构、表面贴装(SMD)结构或通孔封装(THD)结构。
如图1所示，本实施例提供了多膜层复合滤波薄膜1在金属壳型(TO)封装结构的硅基光电探测器上沉积的3个位置：即多膜层复合滤波薄膜1位于窗口玻璃5的上表面或下表面，或位于硅基光电探测器芯片3表面的钝化膜上。此外，该多膜层复合滤波薄膜1也可以集成在表面贴装(SMD)和通孔封装(THD)类型的硅基光电探测器上，使得传统硅基光电探测器集成滤波功能，结构简单、集成度高、体积较小、易于制作、成本低，无需外加滤波器，即能对背景杂散光进行有效滤波，与此同时还能有效降低信号能量的损失。
其中，如图2所示，多膜层复合滤波薄膜1包括两种高低折射率交替分布的膜层，且各层介质层厚度都是通过优化设计得到的。运用干涉膜滤波法的原理来实现滤波功能。
本实施例中，两种高低折射率交替分布的膜层分别为TiO2膜层和SiO2膜层；TiO2膜层折射率为2.35～2.82，SiO2膜层折射率为1.4～1.5。利用离子辅助电子束蒸发在窗口玻璃或硅基光电探测器芯片上交替沉积高折射率的TiO2膜层和低折射率的SiO2膜层形成多膜层复合滤波薄膜1。
另外，多膜层复合滤波薄膜1包括15～80个膜层。
其中，多膜层复合滤波薄膜1各膜层厚度为5～400nm。
另外，多膜层复合滤波薄膜1带通滤波的波长为435～465nm。这样设置使得该硅基光电探测器具备如下功能：a.在小于435nm或大于465nm波长范围内透射率小于5％；b.在大于435nm且小于465nm波长范围内透射率大于90％。如图3所示，该硅基光电探测器具有蓝光带通滤波的特性，可见光只有蓝光(435～465nm)波段的光能够透过多膜层复合滤波薄膜1到达硅基光电探测器，产生光电流，从而使光信号转变为电信号。这一多膜层复合滤波薄膜1的波长选择性优良并且稍大于带通宽度与GaN基蓝光LED的发光光谱半峰宽值(一般在18～22nm)，既能覆盖蓝光LED的发射信号，又能有效滤除背景光的干扰，实现了探测与滤波的集成。
本实施例中，所述多膜层复合滤波薄膜1的中心波长取450nm。
显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型技术方案所作的举例，而并非是对本实用新型的具体实施方式的限定。凡在本实用新型权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种具有可见光带通滤波功能的硅基光电探测器，其特征在于，包括多膜层复合滤波薄膜（1）和外壳（2）；外壳（2）内设有硅基光电探测器芯片（3）与引线（4），外壳（2）的底部外侧设有引脚（6），引线（4）用于连接引脚（6）和硅基光电探测器芯片（3）电极，外壳（2）的顶部为用于光入射的窗口玻璃（5）；所述多膜层复合滤波薄膜（1）包括多种折射率交替分布的膜层；多膜层复合滤波薄膜（1）位于窗口玻璃（5）的上表面或下表面，或位于硅基光电探测器芯片（3）表面的钝化膜上；所述硅基光电探测器为金属壳型封装结构、表面贴装结构或通孔封装结构。
2.根据权利要求1所述的一种具有可见光带通滤波功能的硅基光电探测器，其特征在于，多膜层复合滤波薄膜（1）包括两种高低折射率交替分布的膜层。
3.根据权利要求2所述的一种具有可见光带通滤波功能的硅基光电探测器，其特征在于，两种高低折射率交替分布的膜层分别为TiO2膜层和SiO2膜层；TiO2膜层折射率为2.35～2.82，SiO2膜层折射率为1.4～1.5。
4.根据权利要求1至3任一项所述的一种具有可见光带通滤波功能的硅基光电探测器，其特征在于，多膜层复合滤波薄膜（1）包括15～80个膜层。
5.根据权利要求4所述的一种具有可见光带通滤波功能的硅基光电探测器，其特征在于，多膜层复合滤波薄膜（1）各膜层厚度为5～400nm。
6.根据权利要求1所述的一种具有可见光带通滤波功能的硅基光电探测器，其特征在于，多膜层复合滤波薄膜（1）带通滤波的波长为435～465nm。
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