[發明專利]一種基于硅基光電子芯片的時域平衡零拍探測裝置

在審

• 申請號: 202211059797.3
• 申請日: 2022-08-30
• 公開（公告）號: CN115326212A
• 公開（公告）日: 2022-11-11
• 發明（設計）人: 李永民;賈雁翔;王旭陽;盧振國;劉建強;張瑜;郭旭波
• 申請（專利權）人: 山西大學
• 主分類號: G01J11/00
• 分類號: G01J11/00
• 代理公司: 太原申立德知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 14115
• 代理人: 孫樂

1.一種基于硅基光電子芯片的時域平衡零拍探測裝置，包括有光纖陣列(1)，其包括第一保偏光纖連接頭(5)和第二保偏光纖連接頭(6),以及分別通過第一光纖(7)、第二光纖(8)相連接的光纖連接端(9)，其特征在于：還包括有設置于金屬屏蔽罩(4)中相接的硅基光電子芯片(2)和外圍電路(3)，所述硅基光電子芯片(2)包括有與所述光纖連接端(9)光照固化連接的第一端面耦合器(10)、第二端面耦合器(11)，所述第一端面耦合器(10)、第二端面耦合器(11)分別與50/50多模干涉耦合器(12)的入射端相連，兩路光信號經50/50多模干涉耦合器(12)干涉后分成兩路，其中一路光信號分別依次經過第一光衰減器(13)、第一鍺光電二極管(15)后轉化為一路光電流信號，另一路光信號分別依次經過第二光衰減器(14)、第二鍺光電二極管(16)后轉化為另一路光電流信號，兩路光電流信號相減后輸出，在所述第一光衰減器(13)、第二光衰減器(14)、第一鍺光電二極管(15)、第二鍺光電二極管(16)的兩端上分別設置有第一可調偏置電壓源(19)、第二可調偏置電壓源(20)、第三可調偏置電壓源(21)、第四可調偏置電壓源(22)，所述外圍電路(3)包括有將兩路相減后的光電流信號進行積分的電荷放大電路(17)，積分后的光電流信號通過整形放大電路(18)后變為高斯型脈沖光電流信號并由射頻接口(23)輸出，所述射頻接口(23)設置在所述金屬屏蔽罩(4)上。

2.根據權利要求2所述的一種基于硅基光電子芯片的時域平衡零拍探測裝置，其特征在于：所述第一光纖(7)、第二光纖(8)均采用高數值孔徑保偏光纖，其數值孔徑NA與第一端面耦合器(10)、第二端面耦合器(11)的模場直徑相匹配。

3.根據權利要求1所述的一種基于硅基光電子芯片的時域平衡零拍探測裝置，其特征在于：所述第一端面耦合器(10)、第二端面耦合器(11)均為倒錐形端面耦合器，其兩者分別將硅基波導中的封閉模式轉化為光纖模式，由此解決模式匹配和折射率匹配問題，進而降低耦合損耗。

4.根據權利要求3所述的一種基于硅基光電子芯片的時域平衡零拍探測裝置，其特征在于：所述第一光衰減器(13)、第二光衰減器(14)的衰減原理是基于載流子對光場的吸收效應，均采用PIN型相位調制器，其兩者的兩端分別由第一可調偏置電壓源(19)、第二可調偏置電壓源(20)施加可調正向偏置電壓，由此實現對光強萬分之一的精密調節。

5.根據權利要求4所述的一種基于硅基光電子芯片的時域平衡零拍探測裝置，其特征在于：所述第一鍺光電二極管(15)、第二鍺光電二極管(16)采用在硅基上外延生長鍺的工藝，屬于PIN型探測器，其兩者的兩端分別由第三可調偏置電壓源(21)、第四可調偏置電壓源(22)施加可調反向偏置電壓。

6.根據權利要求1至5中任一項所述的一種基于硅基光電子芯片的時域平衡零拍探測裝置，其特征在于：所述電荷放大電路(17)采用電荷放大器，其中電荷放大器反相輸入端與輸入電容C_i的一電極相連接、以及在其反相輸入端與輸出端之間連接有反饋電阻R_f，在反饋電阻R_f上并聯有反饋電容C_f，電荷放大器的同相輸入端接地，輸入電容C_i的另一電極與輸入電阻R_i的一端相連接，輸入電阻R_i的另一端接地，兩個光電二極管相減后的光電流信號經過輸入電阻R_i、輸入電容C_i提取頻率高于一百赫茲的交流脈沖信號，之后在電荷放大器的反饋電容C_f處積分，反饋電阻R_f具有提供直流工作點和放電的作用，電荷放大器積分后輸出脈沖信號其峰值滿足V_peak＝Q/C_f的關系，其中Q為單個光電流脈沖總電荷量，輸出電脈沖的上升時間為電荷放大器的積分時間，其值大于或等于信號脈沖的持續時間，積分后輸出電脈沖的下降時間τ＝C_f·R_f。

7.根據權利要求6所述的一種基于硅基光電子芯片的時域平衡零拍探測裝置，其特征在于：所述整形放大電路(18)包括高通濾波器、電壓放大器和低通濾波器三部分，其中截止頻率為2.5MHz的高通濾波器包括有第一電容C₁，第一電容C₁的一電極與電荷放大器的輸出端相連接，在第一電容C₁的另一電極上依次連接有第一電阻R₁、第一電感L₁并接地，截止頻率6MHz的三階π型巴特沃斯的低通濾波器包括有第二電感L₂、以及其兩端分別通過第二電容C₂接地和第三電容C₃接地，第一電容C₁和第一電阻R₁的共同端通過第四電阻R₄與電壓放大器的同相輸入端相連接，電壓放大器的反相輸入端連接第三電阻R₃并接地、以及在其反相輸入端與輸出端之間連接有第二電阻R₂，電壓放大器的輸出端與第二電感L₂和第二電容C₂的共同端相連接，積分后的光電流信號通過截止頻率為2.5MHz的高通濾波器使電脈沖下降時間由微秒量級τ縮短至百納秒量級，高通濾波器輸出的光電流脈沖信號輸入電壓放大器中進行同相放大，放大后的脈沖信號經過截止頻率6MHz的三階π型巴特沃斯低通濾波器，有助于平滑脈沖峰值，將輸出脈沖信號整形為高斯型脈沖信號。