[发明专利]多通道集成制冷单光子雪崩光电二极管器件

说明书

本发明公开了一种多通道集成制冷单光子雪崩光电二极管器件，包括壳体,所述壳体的内部设有空腔，所述空腔内设有热电制冷器和陶瓷基板，所述陶瓷基板上固定连接有温敏电阻和至少两个雪崩光电二极管芯片，所述空腔一侧的腔壁上插设有至少两组光纤组件，所述光纤组件插入端的端头分别与对应的雪崩光电二极管芯片的光敏面正对耦合。本发明通过在一个壳体内集成多个雪崩光电二极管芯片，每个芯片均能独立检测一路单光子信号，使用一个单光子雪崩光电二极管器件就能实现对多路信号的检测，使用方便；而且多个雪崩光电二极管芯片共用一个热电制冷器，可明显降低单光子雪崩光电二极管器件的体积、成本以及功耗。

技术领域

本发明涉及单光子探测领域，特别涉及一种多通道集成制冷单光子雪崩光电二极管器件。

背景技术

随着空间探测、生物医学以及量子技术的发展，对微弱光信号特别是单光子信号的检测系统要求越来越高，并要求方便易用。单光子雪崩光电二极管是单光子检测系统的核心元器件，可以广泛应用于量子通信、激光雷达、时域反射计、近红外精密光学测量等领域。原理是利用内光电效应，当入射光子被吸收层材料吸收后产生电子-空穴对，电子或空穴在电场作用下输运到倍增区，在倍增区发生碰撞离化过程，形成可被观测的宏观雪崩电流，从而实现对单光子的检测。在这一过程中，吸收层材料的热生载流子会产生暗电流，降低器件的灵敏度。因此，需要对单光子雪崩光电二极管器件进行制冷。

目前，单光子雪崩光电二极管器件通常采用TO(Transistor Outline)封装和蝶型集成制冷封装方式。采用TO封装器件的单光子检测系统需要外置制冷器对整个系统进行制冷，制冷效率低而且检测系统功耗较大，而现有的蝶型集成制冷封装的单光子雪崩光电二极管器件均为单通道器件，只能进行一路单光子信号检测，并且需要配对独立的电源电路。在实际应用中，往往需要对n个(n≥2)单光子信号进行检测，检测单元的体积和功耗相比单通道检测系统会相应增加n倍，同时增加了系统设计难度，使用不方便。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供了一种能够同时对多路单光子信号进行检测，且功耗较低的多通道集成制冷单光子雪崩光电二极管器件。

本发明的技术方案如下：

一种多通道集成制冷单光子雪崩光电二极管器件，包括壳体,所述壳体的内部设有空腔，所述空腔的底部设有热电制冷器，所述热电制冷器的热端面与空腔底部的腔壁固定连接，冷端面上固设有陶瓷基板，所述陶瓷基板上固定连接有温敏电阻和至少两个雪崩光电二极管芯片，所述空腔两侧的腔壁上穿设有多个引脚，多个所述引脚分别通过内部引线与雪崩光电二极管芯片、温敏电阻以及热电制冷器电连接；所述空腔的上台阶段一侧的腔壁上插设有至少两组光纤组件，所述光纤组件与雪崩光电二极管芯片一一对应，且插入端的端头分别与对应的雪崩光电二极管芯片的光敏面正对耦合，所述光纤组件的非插入端用于连接光纤。

进一步的，所述壳体的中部内凹呈“工”字形结构，所述空腔的形状与壳体相对应，从而呈上大下小的台阶状，每组所述光纤组件的插入端均焊接固定在空腔的台阶面上，所述空腔的下台阶部分与热电制冷器相适配。

进一步的，所述雪崩光电二极管芯片的吸收层材料为Si、InGaAs(P)、Ge和InAlAs中的一种。

进一步的，所述壳体采用密闭封装，且内部充氮气或氩气。

进一步的，每个所述雪崩光电二极管芯片均使用独立的内部引线与引脚连接，从而避免信号输出时相互影响。

进一步的，所述雪崩光电二极管芯片先通过倒装焊工艺固定在安装架上，再通过粘接或焊接的方式将安装架固定在陶瓷基板上。

进一步的，在所述空腔两侧的腔壁上，对应每个引脚穿设的位置处均开设有安装孔，所述引脚穿设过安装孔后，通过玻璃绝缘子在高温下烧结使引脚与对应位置安装孔的孔壁固定，从而形成气密性结构。