一种基于雪崩光电探测器的光电检测模块制造技术

本发明专利技术涉及一种基于雪崩光电探测器的光电检测模块，属于光电子技术领域。本发明专利技术通过设计合适的参数，三级半导体制冷器的负载能力远大于单级半导体制冷器，提高了光电检测模块的极限工作温度；三级半导体制冷器第一级的制冷系数和负载能力小于单级半导体制冷器，提高了光电检测模块的温控温度精度；互阻放大器的等效输入总电容大幅度减小，降低了互阻放大器噪声增益；互阻放大器电路受到的电磁干扰基本被消除，降低了互阻放大器的噪声水平。本发明专利技术所述的光电检测模块的工作温度可达到‑40℃‑+50℃，温控温度精度可达±0.05℃，输出噪声可达2.5mv。

Photoelectric detection module based on avalanche photodetector

The invention relates to an electro-optical detection module based on an avalanche photodetector, belonging to the field of photoelectron technology. By designing the appropriate parameters, the load capacity of the three stage semiconductor cooler is far greater than the single stage semiconductor cooler, and the limit working temperature of the photoelectric detection module is improved. The first level of the three stage semiconductor cooler is less than the single level semiconductor refrigerators, and the temperature control of the photoelectric detection module is improved. The equivalent input capacitance of the mutual resistance amplifier is greatly reduced, and the noise gain of the mutual resistance amplifier is reduced. The interference of the mutual resistance amplifier circuit is basically eliminated and the noise level of the mutual hindrance amplifier is reduced. The working temperature of the photoelectric detection module of the invention can reach 40 +50 C, the temperature control temperature accuracy can reach + 0.05 centigrade, and the output noise can reach 2.5mv.

【技术实现步骤摘要】
一种基于雪崩光电探测器的光电检测模块
本专利技术涉及一种基于雪崩光电探测器的光电检测模块，属于光电子

技术介绍
光电检测模块的主要器件是雪崩光电探测器和互阻放大器。雪崩光电探测器主要利用载流子的雪崩放大过程实现对光电流放大，提高对微弱信号光的检测灵敏度。互阻放大器将雪崩光电探测器的光电流信号转换成易于处理的电压信号。雪崩光电探测器的电流增益用倍增因子M表示，通常定义为倍增的光电流i1与不发生倍增效应时的光电流i0之比。倍增因子M可以表示为：其中，VB为击穿电压；V为反向偏置电压；n为1～3，取决于半导体材料、掺杂分布以及辐射波长。所以，当反向偏置电压V增加到接近VB时，M将趋近于无穷大，此时雪崩光电探测器将发生击穿。应用中，最佳工作电压不宜超过VB。而击穿电压VB与雪崩光电探测器环境温度T之间的关系为：VB(T)＝VB(T0)[1+a(T-T0)](2)由公式(1)和公式(2)可知，雪崩光电探测器的增益是其反向偏置电压V和环境温度T的函数，二者共同决定雪崩光电探测器工作时的增益。光电检测模块的设计工作温度为-40℃-+50℃，在这么大的温度范围内，雪崩光电探测器放大增益的稳定性受环境温度变化影响严重，而增益不稳定会直接影响光电检测模块的输出信号的信噪比。当前的雪崩光电探测器增益稳定控制方法一般采用温度控制的方法，通过单级半导体制冷器对雪崩光电探测器进行恒温控制，光电检测模块的温度精度和极限工作温度有限，达不到设计要求。同时，由于雪崩光电探测器的信号增益小，必须在雪崩光电探测器后端连接互阻放大器，在对雪崩探测器输出弱电流信号进行放大的同时，对噪声信号加以限制，以获得高的信噪比。当前的雪崩探测器和互阻放大器是独立封装，互阻放大器的输入端的杂散电容较大，电磁干扰噪声严重，影响了光电检测模块的输出信号的信噪比，达不到设计要求。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于雪崩光电探测器的光电检测模块，该模块能够大大提高光电检测的极限工作温度、温度精度和输出信号信噪比，满足设计要求。本专利技术的技术解决方案是：一种基于雪崩光电探测器的光电检测模块，该光电检测模块包括雪崩探测器APD、三级半导体制冷器TEC、热敏电阻RT、互阻放大器U1、第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C1和第一屏蔽结构；其中，第二电阻R2和第一电容C1并联连接在互阻放大器U1的同相输入端和光电检测模块的地输入引脚GND之间，第一电阻R1连接在互阻放大器U1的反向输入端和互阻放大器U1的输出端之间，互阻放大器U1的正电源端接光电检测模块的正电源输入引脚VCC，互阻放大器U1的负电源端接光电检测模块的负电源输入引脚VEE，互阻放大器U1的输出端接光电检测模块的信号输出引脚Vout；雪崩探测器APD的阳极APD+接互阻放大器U1的反向输入端，雪崩探测器APD的阴极接光电检测模块的偏置电压输入引脚APD-；热敏电阻RT连接在光电检测模块温敏正输出引脚Tsence+和温敏负输出引脚Tsence-之间；三级半导体制冷器TEC连接在光电检测模块制冷正输入引脚TEC+和制冷负输入引脚TEC-之间；第一屏蔽结构是镀金的金属结构，将雪崩探测器APD、三级半导体制冷器TEC、热敏电阻RT、互阻放大器U1、第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C1封装在该金属结构中，第一屏蔽结构与光电检测模块的地输入引脚GND相连，与光电监测模块的其他输入输出引脚不相连。所述的热敏电阻RT为印刷型片式负温度系数热敏电阻。所述光电检测模块的雪崩探测器APD和热敏电阻RT并行安装在三级制冷器TEC的第一级的中心位置，三级半导体制冷器TEC的各级之间采用串联的工作方式和端面面积逐渐增大的结构，第二级的端面面积大于第一级，第三级的端面面积大于第二级。所述的光电检测模块的雪崩探测器APD与互阻放大器U1封装在第一屏蔽结构中，雪崩探测器APD的阳极APD+与互阻放大器U1的反向输入端之间的连接线Trace1长度降低到1mm以内。所述三级半导体制冷器TEC的总负载能力为Qc，第一级负载能力为Qc1，第二级负载能力为Qc2，第三级负载能力为Qc3，第一级的制冷系数为ε1，第二级的制冷系数为ε2，第一级的制冷系数为ε3，总负载能力Qc表示为：Qc＝Qc1+Qc2+Qc3(3)其中，第三级负载能力第二级负载能力Qc1<Qc2<Qc3；则由公式(3)得第一级的制冷系数ε1为0.2，第二级的制冷系数ε2为0.3，第三级制冷系数ε3为0.4，第一级的负载能力为0.3W，通过公式(4)计算得：第二级的负载能力总负载能力Qc＝Qc1+Qc2+Qc3＝6.15W。所述互阻放大器U1电路的噪声等效模型为：噪声等效模型包括反向输入端的等效输入电阻R3，同相输入端的等效输入电阻R2，反馈电阻R1，R1、R2和R3的热噪声VR1、VR2和VR3，同相输入端的等效电压源Vn+，同相输入端的等效电流源In+，反向输入端的等效电流源In-，等效反馈电容C2，等效输入总电容C3。VR3、R3和In-串联在一起，C3与VR3、R3、In-并联接入反相输入端；VR2、R2、Vn+和In+串联在一起接入同相输入端；VR1和R1串联在一起，C2与VR1、R1并联在一起，C2一端接反相输入端，另一段接互阻放大器输出端。所述互阻放大器U1电路的噪声等效模型中，互阻放大器U1反向输入端的等效输入电阻为R3，同相输入端的等效输入电阻为R2，反馈电阻为R1，R1、R2和R3的热噪声为VR1、VR2和VR3，互阻放大器U1本身的等效噪声源包括同相输入端的等效电压源Vn+、同相输入端的等效电流源In+和反向输入端的等效电流源In-，C2为等效反馈电容，C3为包括雪崩探测器电容、放大器输入电容和输入杂散电容的等效输入总电容。一种光电转换功能模块，包括光电检测模块和雪崩探测器偏置电压生成电路以及TEC控制电路，且光电检测模块和雪崩探测器偏置电压生成电路以及TEC控制电路封装在第二屏蔽结构中。第二屏蔽结构为金属结构。与现有技术相比，本专利技术产生的有益效果是：(1)通过设计合适的参数，三级半导体制冷器的负载能力远大于单级半导体制冷器，提高了光电检测模块的极限工作温度；三级半导体制冷器第一级的制冷系数和负载能力小于单级半导体制冷器，提高了光电检测模块的温控温度精度。本专利技术所述的光电检测模块的工作温度可达到-40℃-+50℃，温控温度精度可达±0.05℃。(2)本专利技术所述的光电检测模块大大降低了互阻放大器U1的输入杂散电容，也就大大降低了等效输入总电容C3，大大降低了互阻放大器U1噪声增益NG，基本消除了互阻放大器U1电路受到的电磁干扰，大大降低了互阻放大器U1的噪声水平，输出噪声由10mv降低到了2.5mv，光电检测模块的输出信号的信噪比提高到现有技术的4倍。本专利技术公开了一种基于雪崩探测器的光电检测模块，由雪崩探测器APD、三级半导体制冷器TEC、热敏电阻RT、互阻放大器U1、第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C1和第一屏蔽结构组成。光电检测模块的雪崩探测器APD和热敏电阻RT并行安装在三级制冷器TEC的第一级的中心位置。三级半导体制冷器TEC的各级之间采用串联的工作方式和端面面积逐渐增大的结构本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于雪崩光电探测器的光电检测模块，其特征在于：该光电检测模块包括雪崩探测器APD、三级半导体制冷器TEC、热敏电阻RT、互阻放大器U1、第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C1和第一屏蔽结构；其中，第二电阻R2和第一电容C1并联连接在互阻放大器U1的同相输入端和光电检测模块的地输入引脚GND之间，第一电阻R1连接在互阻放大器U1的反向输入端和互阻放大器U1的输出端之间，互阻放大器U1的正电源端接光电检测模块的正电源输入引脚VCC，互阻放大器U1的负电源端接光电检测模块的负电源输入引脚VEE，互阻放大器U1的输出端接光电检测模块的信号输出引脚Vout；雪崩探测器APD的阳极APD+接互阻放大器U1的反向输入端，雪崩探测器APD的阴极接光电检测模块的偏置电压输入引脚APD‑；热敏电阻RT连接在光电检测模块温敏正输出引脚Tsence+和温敏负输出引脚Tsence‑之间；三级半导体制冷器TEC连接在光电检测模块制冷正输入引脚TEC+和制冷负输入引脚TEC‑之间；第一屏蔽结构是镀金的金属结构，将雪崩探测器APD、三级半导体制冷器TEC、热敏电阻RT、互阻放大器U1、第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C1封装在该金属结构中，第一屏蔽结构与光电检测模块的地输入引脚GND相连，与光电监测模块的其他输入输出引脚不相连。...

【技术特征摘要】
1.一种基于雪崩光电探测器的光电检测模块，其特征在于：该光电检测模块包括雪崩探测器APD、三级半导体制冷器TEC、热敏电阻RT、互阻放大器U1、第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C1和第一屏蔽结构；其中，第二电阻R2和第一电容C1并联连接在互阻放大器U1的同相输入端和光电检测模块的地输入引脚GND之间，第一电阻R1连接在互阻放大器U1的反向输入端和互阻放大器U1的输出端之间，互阻放大器U1的正电源端接光电检测模块的正电源输入引脚VCC，互阻放大器U1的负电源端接光电检测模块的负电源输入引脚VEE，互阻放大器U1的输出端接光电检测模块的信号输出引脚Vout；雪崩探测器APD的阳极APD+接互阻放大器U1的反向输入端，雪崩探测器APD的阴极接光电检测模块的偏置电压输入引脚APD-；热敏电阻RT连接在光电检测模块温敏正输出引脚Tsence+和温敏负输出引脚Tsence-之间；三级半导体制冷器TEC连接在光电检测模块制冷正输入引脚TEC+和制冷负输入引脚TEC-之间；第一屏蔽结构是镀金的金属结构，将雪崩探测器APD、三级半导体制冷器TEC、热敏电阻RT、互阻放大器U1、第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C1封装在该金属结构中，第一屏蔽结构与光电检测模块的地输入引脚GND相连，与光电监测模块的其他输入输出引脚不相连。2.根据权利要求1所述的一种基于雪崩光电探测器的光电检测模块，其特征在于：所述的热敏电阻RT为印刷型片式负温度系数热敏电阻。3.根据权利要求1所述的一种基于雪崩光电探测器的光电检测模块，其特征在于：所述光电检测模块的雪崩探测器APD和热敏电阻RT并行安装在三级制冷器TEC的第一级的中心位置，三级半导体制冷器TEC的各级之间采用串联的工作方式和端面面积逐渐增大的结构，第二级的端面面积大于第一级，第三级的端面面积大于第二级。4.根据权利要求1所述的一种基于雪崩光电探测器的光电检测模块，其特征在于：所述的光电检测模块的雪崩探测器APD与互阻放大器U1封装在第一屏蔽结构中，雪崩探测器APD的阳极APD+与互阻放大器U1的反向输入端之间的连接线长度降低到1mm以内。5.根据权利要求1所述的一种基于雪崩光电探测器的光电检测模块，其特征在于：所述三级半导体制冷器TEC的总负载能力为Qc，第一级负载能...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘诚，王明超，李成志，王学锋，梁同利，罗辉，宋海滨，
申请(专利权)人：北京航天控制仪器研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11