基于量子阱二极管的同质集成光电子装置

摘要

本发明提供一种基于量子阱二极管的同质集成光电子装置，包括：衬底；发光模块位于衬底表面，包括至少一个第一量子阱二极管器件，第一量子阱二极管器件用于向被测物体发射特定波长的第一光信号，第一光信号被被测物体反射后，能够变为第二光信号，第二光信号具有被测物体的传感信息；探测模块位于衬底表面，包括至少一个第二量子阱二极管器件，第二量子阱二极管器件用于接收第二光信号并将第二光信号转换为电信号。本发明优点是，利用发光模块发射第一光信号，第一光信号被被测物体反射后形成带有被测物体的传感信息的第二光信号，探测模块接收第二光信号并转换为电信号，进而获得被测物体的传感信息，具备集成度高，性能好的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种基于量子阱二极管的同质集成光电子装置。

背景技术

自从20世纪90年代初名古屋大学的Amano和Akasaki以及日亚公司的Nakamura实现了高效率氮化物蓝光半导体发光二极管(Light Emitting Diode,LED)以来，LED在照明领域的发展突飞猛进，日新月异。在今天，LED被称为第四代固态照明光源。同时，由于其结构简单、寿命长、能耗低等优点，LED正越来越广泛地应用于通信、传感、医疗、航空等领域。在2019年，仅全球光通信市场规模就已达到千亿美元级别。

“集成光学”概念最早由美国贝尔实验室Miller明确提出。主要是指通过微纳加工手段，将功能差异的有源、无源器件集成到同一块衬底上的光学系统。当前，光子集成技术已成为光通信、光互连、新能源等新型应用领域的核心技术，受到各国政府、研究机构、商业机构的重视。美国、日本、欧洲等地相继将集成光子技术列为重点研究开发项目之一。

根据工艺，集成光子技术可分为单片集成与混合集成。其中，单片集成因其过程简单、大规模生产较为理想而成为集成光子芯片的重要发展趋势。同时，光子集成技术主要集中于基于III-V族半导体材料。目前，虽然单元器件的集成制备技术已经较为成熟，但是如何实现多个功能器件、多种材料体系的系统集成仍然阻碍着集成光学的进一步发展。

发明内容

本发明提供一种基于量子阱二极管的同质集成光电子装置，用于解决现有的光电子装置集成度较低、性能较差的问题。

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于量子阱二极管的同质集成光电子装置，其包括：衬底；发光模块，位于所述衬底表面，包括至少一个第一量子阱二极管器件，所述第一量子阱二极管器件用于向被测物体发射特定波长的第一光信号，所述第一光信号被所述被测物体反射后，能够变为第二光信号，所述第二光信号具有所述被测物体的传感信息；探测模块，位于所述衬底表面，包括至少一个第二量子阱二极管器件，所述第二量子阱二极管器件用于接收所述第二光信号并将所述第二光信号转换为电信号。

进一步，所述第一量子阱二极管器件的工作波段与所述第二量子阱二极管器件的工作波段具有重叠区。

进一步，所述发光模块包括多个所述第一量子阱二极管器件，多个所述第一量子阱二极管器件并联，并构成发光阵列。

进一步，所述探测模块包括多个所述第二量子阱二极管器件，多个所述第二量子阱二极管器件串联。

进一步，通过所述第一量子阱二极管器件的量子阱组分的变化而改变所述第一量子阱二极管器件发射的所述第一光信号的波长，通过所述第二量子阱二极管器件的量子阱组分的变化而使所述第二量子阱二极管器件能够接收不同波长的所述第二光信号。

进一步，所述同质集成光电子装置还包括信号处理模块，所述信号处理模块与所述探测模块相连接，用于接收所述电信号并进行处理，以获得所述被测物体的传感信息。

进一步，所述信号处理模块包括判决单元，用于在所述电信号中获取所述被测物体的传感信息。

进一步，所述信号处理模块还包括：放大单元，与所述探测模块连接，用于放大所述电信号；滤波单元，与所述放大单元连接，用于滤去放大后所述电信号中存在的杂波与噪声。

进一步，所述被测物体的传感信息为所述被测物体的振动频率信息。

进一步，所述信号处理模块还包括统计单元，所述判决单元还能够将所述电信号进行A/D转换，并与阈值进行比较获得所述被测物体的振动次数信息，并利用所述统计单元进行振动次数及振动时间统计后，得到所述被测物体的振动频率信息。

进一步，所述同质集成光电子装置还包括稳压模块，所述稳压模块至少与所述发光模块连接，用于向所述发光模块提供稳定的电能输出。

本发明的优点在于，利用发光模块发射第一光信号，所述第一光信号被被测物体反射后形成带有被测物体的传感信息的第二光信号，所述探测模块接收所述第二光信号并转换为电信号，进而获得所述被测物体的传感信息，具备集成度高，性能好的优点。

附图说明

图1是本发明一具体实施方式提供的基于量子阱二极管的同质集成光电子装置的整体结构示意图；

图2是本发明一具体实施方式中发光模块的结构示意图；

图3是本发明一具体实施方式中探测模块的结构示意图；

图4是本发明一具体实施方式中所述信号处理模块的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的基于量子阱二极管的同质集成光电子装置的具体实施方式做详细说明。

图1是本发明一具体实施方式提供的基于量子阱二极管的同质集成光电子装置的整体结构示意图，请参阅图1，所述同质集成光电子装置包括衬底10、发光模块11及探测模块12。

所述发光模块11位于所述衬底10表面，例如，所述发光模块11位于所述衬底10的上表面。所述发光模块11能够向被测物体发射特定波长的光。所述特定波长可为从深紫外到红外波段内特定的波长。所述发光模块11发射的光信号能够被被测物体反射，并且反射光带有所述被测物体的传感信息。所述传感信息包括但是不限于为物体振动频率信息、物体振动的动态幅度等。

具体地说，所述发光模块11包括至少一个第一量子阱二极管器件111，所述第一量子阱二极管器件111能够向被测物体发射特定波长的第一光信号，所述第一光信号被所述被测物体反射后，能够变为第二光信号，所述第二光信号具有所述被测物体的传感信息。其中，被测物体表面的变化会引起第一光信号强度的变化，起到一个动态调制的效果，即物体表面变化相当于是一个光调制器，使得第一光信号强度等发生变化，进而经反射形成所述第二光信号。所述第一量子阱二极管器件111可在正向偏压情况下发出所述第一光信号。

其中，通过所述第一量子阱二极管器件111的量子阱组分的变化而改变所述第一量子阱二极管器件111发射的所述第一光信号的波长，使得第一量子阱二极管器件111能够根据需求而发出不同的波长的第一光信号。

进一步，请参阅图2，其为本发明一具体实施方式中发光模块11的结构示意图，在本具体实施方式中，所述发光模块11包括多个第一量子阱二极管器件111，多个所述第一量子阱二极管器件111并联连接，并构成发光阵列。多个所述第一量子阱二极管器件111并联连接能够增强所述发光模块11的光强度，使得后续探测模块12接收的第二光信号的强度满足要求，进而提高所述光电子装置的检测准确度。所述第一量子阱二极管器件111的具体数量，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，例如根据需要发射的第一光信号的强度进行选择，本具体实施方式对此不作限定。本具体实施方式中所述的“多个”是指两个以上。

所述探测模块12位于所述衬底10表面。例如，所述探测模块12位于所述衬底10的上表面。所述探测模块12能够接收所述被测物体反射的第二光信号，并将所述第二光信号转换为电信号。其中，由于所述第二光信号带有被测物体的传感信息，则所述第二光信号转换成的电信号也带有被测物体的传感信息。

所述探测模块12包括至少一个第二量子阱二极管器件121。所述第二量子阱二极管器件121用于接收所述第二光信号并将所述第二光信号转换为电信号。由于光电效应，所述第二量子阱二极管器件121可在特定波长的第二光信号照射下产生所述电信号。所述电信号包括但不限于电压信号。

在本具体实施方式中，通过所述第二量子阱二极管器件121的量子阱组分的变化而使所述第二量子阱二极管器件121能够接收不同波长的所述第二光信号，例如，改变所述第二量子阱二极管器件121的量子阱组分而使得所述第二量子阱二极管器件121能够接收位于深紫外到红外波段内特定波长的第二光信号，并产生带有所述物体传感信息的电信号。

进一步，请参阅图3，其为本发明一具体实施方式中探测模块12的结构示意图，在本具体实施方式中，所述探测模块12包括多个所述第二量子阱二极管器件121，多个所述第二量子阱二极管器件121串联连接，提高第二光信号的接收及转换效率，提高所述光电子装置的检测准确度。所述第二量子阱二极管器件121的具体数量，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，例如根据所述探测模块12接收灵敏度进行选择，本具体实施方式对此不作限定。本具体实施方式中所述的“多个”是指两个以上。

其中，所述第二量子阱二极管器件121工作波段与所述第一量子阱二极管器件111工作波段相匹配，例如，所述第一量子阱二极管器件的工作波段与所述第二量子阱二极管器件的工作波段具有重叠区，以使得所述第一量子阱二极管器件111发射的第一光信号被被测物体反射后能够被所述第二量子阱二极管器件121接收。例如，在本发明一具体实施方式中，所述第二量子阱二极管器件121与所述第一量子阱二极管器件111均工作在蓝光波段。

进一步，在本具体实施方式中，所述衬底10可以为III-IV族材料衬底，也可以为硅衬底。所述第一量子阱二极管器件111与所述第二量子阱二极管器件121均可以采用III-IV族材料制造，从而进一步改善所述同质集成光电子装置的性能。所述第一量子阱二极管器件111和所述第二量子阱二极管器件121采用兼容制造工艺，集成制造于所述衬底10表面，实现了所述发光模块11与所述探测模块12的同质集成。从而提升了光电子装置的集成度，增强了光电子装置的功能。

本发明基于量子阱二极管的同质集成光电子装置利用发光模块发射第一光信号，所述第一光信号被被测物体反射后形成带有被测物体的传感信息的第二光信号，所述探测模块接收所述第二光信号并转换为电信号，进而获得所述被测物体的传感信息，具备集成度高，性能好的优点。

进一步，请继续参阅图1，本发明基于量子阱二极管的同质集成光电子装置还包括信号处理模块13。所述信号处理模块13与所述探测模块12相连接，用于接收所述电信号并进行处理，以获得所述被测物体的传感信息。

图4是本发明一具体实施方式中所述信号处理模块13的结构框图。请参阅图1及图4，所述信号处理模块13包括判决单元133。所述判决单元133用于接收电信号，并在所述电信号中获取所述被测物体的传感信息。具体地说，所述判决单元133能够对所述电信号进行处理，并获得所述被测物体的传感信息。

进一步，所述信号处理模块13还包括统计单元134。所述判决单元133将所述电信号进行A/D转换，并与阈值进行比较获得所述被测物体的振动次数信息，并利用所述统计单元134进行振动次数及振动时间统计后，得到所述被测物体的振动频率信息。所述统计单元134包括计数器及计时器等装置。

本发明还提供所述判决单元133的一具体实施方式。所述判决单元133包括OLED模块及由单片机芯片集合所形成的Arduino Nano开发板。所述OLED模块与Arduino Nano开发板连接并由其驱动。所述电信号进入Arduino单片机A0管脚，利用Arduino Nano开发板进行实时处理。Arduino单片机将电信号进行A/D转换(模拟-数字转换)，并与阈值进行比较判决得到所述物体振动次数信息，具体地说，Arduino单片机将背景光电流和实测光电流进行比较判决确定阈值，从而判决输出振动的幅度、频率信息，利用计数器、计时器等统计单元进行统计后得到所述物体振动频率信息。进一步，得到所述物体振动频率信息后，由Arduino单片机在OLED模块上显示当前物体振动频率。

进一步，在某些情况下，所述探测模块12产生的电信号非常小，导致电信号须经放大滤波后才能输入至所述判决单元133中。因此，在本具体实施方式中，所述信号处理模块13还包括放大单元131及滤波单元132。

所述放大单元131与所述探测模块12连接，用于放大所述电信号。所述放大单元131可为由LM358组成的两级放大电路，其能够将电信号放大几百倍。

所述滤波单元132与所述放大单元131连接，用于滤去放大后所述电信号中存在的杂波与噪声。所述滤波单元132可为由电阻、电容组成的低通滤波电路，其能够隔绝高频噪声。

经所述放大单元131及所述滤波单元132的电信号作为所述判决单元133的输入信号，进而获得所述被测物体的传感信息。

具体地说，当探测模块12将第二光信号转换为电信号后，所述电信号作为所述放大单元131的输入信号，所述放大单元131放大所述电信号；被放大的电信号作为所述滤波单元132的输入信号，所述滤波单元132滤去放大后所述电信号中存在的杂波与噪声；被过滤的电信号作为所述判决单元133的输入信号，所述判决单元133在被过滤的所述电信号中获取所述被测物体的传感信息。其中，所述判决单元133将所述电信号转变为数字信号并进行显示物体振动频率信息。

进一步，在本发明一具体实施方式中，所述电子装置还包括稳压模块14，外置电源输入与所述稳压模块14的输入端连接。所述稳压模块14能够输出波动较小、电流恒定的电能。所述稳压模块14至少与所述发光模块11连接，用于向所述发光模块11的所述第一量子阱二极管器件111提供稳定的电能输出。其中，在本具体实施方式中，所述稳压模块14可采用LM7805芯片，所述LM7805芯片能够输出波动较小、电流恒定的5V电能。

进一步，所述稳压模块14还可与所述信号显示处理模块13连接，用于向所述放大单元131、滤波单元132、判决单元133提供稳定的电能输出。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。