專利名稱：用于金融票證真?zhèn)舞b別的可見近紅外接發(fā)光電子集成器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于票證防偽檢測的應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及光學(xué)頻率轉(zhuǎn)化防偽檢測方法的應(yīng)用。本發(fā)明具體涉及防偽器件中的光發(fā)射芯片、光接收芯片以及芯片的集成化。
背景技術(shù)：
光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換理論是采用光譜發(fā)射器件以特定的波長激發(fā)被測物(光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換材料)的表面產(chǎn)生另一個特定波長的光學(xué)信號。由于激發(fā)光源波長都是對于人眼不可見，所以具有良好的隱秘性、唯一性，而且還具有使用壽命長、材料制備技術(shù)難度高等特點，所以已廣泛應(yīng)用于防偽領(lǐng)域，如附加在金融證券或有效票證上作為防偽標(biāo)記；或添加于塑料薄膜中，從而可以方便的與現(xiàn)有的激光全息防偽標(biāo)識結(jié)合在一起，起到綜合防偽的效果。
所以針對其開發(fā)出一套有效、準(zhǔn)確、快速的檢測方法對于實現(xiàn)這一防偽功能起著極為重要的作用。檢測過程為由半導(dǎo)體激光器發(fā)射出特定波長的激光，激發(fā)待測樣品表面產(chǎn)生另一個特定波長的光學(xué)信號，這個信號經(jīng)過光學(xué)濾波器件，由光電接收器件接收，最后由專用信號處理電路進行數(shù)據(jù)處理和識別。
現(xiàn)有的檢測系統(tǒng)中光譜發(fā)射器件中心波長、出光功率隨溫度上升分別會發(fā)生紅移和強度降低的問題，很大程度上影響光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換效率，不利于接收和信號處理；現(xiàn)有的光電接收器件的響應(yīng)時間和光譜響應(yīng)峰值不能很好地滿足光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換后的波長要求，通常采用窄帶濾波的光濾波器件進行峰值遷移，但這樣做必然要損失光信號，不利于弱信號探測。而且測量方法通常采用分離系統(tǒng)，不利于該檢測方法的產(chǎn)品化；分離系統(tǒng)光能量損耗較大，抗外界干擾能力弱，且不利于溫度補償。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種用于金融票證真?zhèn)舞b別的可見近紅外接發(fā)光電子集成器件。以便實現(xiàn)光譜發(fā)射芯片、光電接收芯片和光濾波片的優(yōu)化組合和匹配，構(gòu)成微型化系統(tǒng)模塊，提高抗干擾能力；也可以非常方便地作為核心檢測部件集成于相應(yīng)的檢測裝置中。
本發(fā)明提供的用于金融票證真?zhèn)舞b別的可見近紅外接發(fā)光電子集成器件，包括用于發(fā)射激發(fā)票證上的防偽材料、實現(xiàn)光學(xué)頻率轉(zhuǎn)化的激光的光發(fā)射芯片；用于控制光發(fā)射芯片發(fā)射的激光的控制電路；使光發(fā)射芯片發(fā)出的激光能夠反射到檢測小孔位置并照射在被測物上的反射鏡；用于將被測物激發(fā)出的特定信號光波聚焦、并濾除原頻率的雜散光、只保留信號光的光學(xué)裝置；
用于接收上述光學(xué)裝置聚焦濾波后的信號光、并轉(zhuǎn)換成電信號的光接收芯片；用于將光接收芯片轉(zhuǎn)換的電信號放大并驅(qū)動信號指示燈的信號放大判決電路；以及用于判決被測物真?zhèn)蔚男盘栔甘緹簟?br> 所述的光發(fā)射芯片的構(gòu)成包括用于發(fā)射激光的光有源器件、用于激光光束的準(zhǔn)直聚焦的光波導(dǎo)和波導(dǎo)透鏡、半導(dǎo)體基底上的用于安裝光有源器件的調(diào)準(zhǔn)平面和熱沉的臺地。所述的光有源器件為用于發(fā)射出980納米波長激光的、具有壓應(yīng)力的漸變折射率單量子阱結(jié)構(gòu)的脊波導(dǎo)半導(dǎo)體激光器。光波導(dǎo)和波導(dǎo)透鏡，為通過叩焊芯片技術(shù)安裝在硅臺地上并與光有源器件光學(xué)連接的掩埋型二氧化硅波導(dǎo)及透鏡。
所述的光接收芯片為生長在砷化鎵基底的磷砷化鎵混合晶光電二極管，并且熱沉在半導(dǎo)體基底上。
所述的用于將被測物激發(fā)出的特定信號光波聚焦、并濾波的光學(xué)裝置為濾波片，采用QB21光學(xué)玻璃上鍍硫化鋅-氟化鎂增反膜系，并制成平凸透鏡。
上述的光發(fā)射芯片的控制電路為使光發(fā)射芯片工作在脈沖工作方式的脈沖電路，包括脈沖信號發(fā)生電路，和與之連接的脈沖信號放大電路組成。
信號放大判決電路包括光電流放大電路，經(jīng)起信號判決作用的發(fā)光二極管與之連接的復(fù)位電路組成。
上述的光電子集成器件中的光發(fā)射芯片、控制電路、反射鏡、光學(xué)裝置、光接收芯片和信號放大判決電路集成在同一半導(dǎo)體基底上。
整個光電子集成器件可以單獨封裝使用，也可以作為核心檢測部件集成于相應(yīng)的檢測裝置中。
本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果本發(fā)明采用專門優(yōu)化設(shè)計的光譜發(fā)射和接收芯片，能保證發(fā)射光芯片微溫升，波長不漂移，經(jīng)過光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換后的光波長與接收芯片敏感波長相吻合；一體化設(shè)計還可以大幅降低光能損耗，從而減小器件發(fā)熱。
本發(fā)明提供的專用光譜發(fā)射芯片，為具有壓應(yīng)力的漸變折射率單量子阱結(jié)構(gòu)的脊波導(dǎo)半導(dǎo)體激光器，其設(shè)計及制作經(jīng)過優(yōu)化，獲得較小的閾值電流，且能得到較小的遠(yuǎn)場發(fā)散角，尤其是垂直遠(yuǎn)場發(fā)散角，保證有器件有良好的溫度特性。
本發(fā)明提供的專用光接收芯片，其光譜響應(yīng)和被測物的發(fā)射信號光一致，解決了原來采用窄帶濾波的光濾波器件進行峰值遷移以致?lián)p失光信號的問題。
根據(jù)本發(fā)明的一體化設(shè)計，采用反射法檢測票證上的防偽信息。通過集成在同一基底上的信號放大處理電路，觸發(fā)指示燈判決被測物的真?zhèn)巍?br>
圖1為光電子集成器件的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2a為光發(fā)射芯片的安裝原理圖的立體圖，圖2b為光發(fā)射芯片的安裝原理圖的主視圖。
圖3為光發(fā)射芯片的制作安裝圖。
圖4為作為光有源器件的脊波導(dǎo)半導(dǎo)體激光器的模型二維橫截面結(jié)構(gòu)圖。
圖5為光接收芯片的結(jié)構(gòu)圖。
圖6為光發(fā)射芯片的控制電路原理圖。
圖7為光接收芯片的放大判決電路原理圖。
其中1.光發(fā)射芯片、2.硅臺地、3.硅(半導(dǎo)體)基底、4.折光棱鏡或反射鏡、5.光接收芯片、6.信號指示燈、7.濾波片(光學(xué)裝置、平凸透鏡)、8.被測物、9.光電有源器件、10.Si基PLC區(qū)、11.電子線路區(qū)、12.組裝區(qū)、13.電極、14.焊料、15.SiO2波導(dǎo)、16.波導(dǎo)芯層、17.波導(dǎo)透鏡、18.CCD顯微鏡、19.調(diào)準(zhǔn)標(biāo)記、20.AuSn焊料墊片、21.紅外光。
具體實施方式實施例1光電子集成器件如圖1所示，本發(fā)明提供的光電子集成器件采用一體封裝結(jié)構(gòu)，包括集成在同一半導(dǎo)體(如硅)基底3上的光發(fā)射芯片1、折光棱鏡4、濾波片(光學(xué)裝置)7即平凸透鏡、光接收芯片5和信號指示燈6，以及用于控制光發(fā)射芯片發(fā)射的激光的控制電路(圖中未畫出)，和用于將光接收芯片轉(zhuǎn)換的電信號放大并驅(qū)動信號指示燈的信號放大判決電路(圖中未畫出)。
檢測方法如圖1所示，該器件在頂端處開有小孔，使得光發(fā)射芯片發(fā)出的980nm激光能通過折光棱鏡4反射到小孔位置，并照射在被測物8上，被測物緊貼于器件外表面，利于檢測。當(dāng)激光照射到被測物上，如果被測物為真，由于光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換效應(yīng)，會激發(fā)出特定可見光波長的信號光波。改變了頻率的信號光波和原頻率的雜散光都會反射回探測器方向。反射光被圖1中的平凸透鏡7聚焦并濾波，濾除原頻率的光，只保留信號光。信號光落入光接收芯片5被轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過放大后，驅(qū)動信號指示燈6，燈亮顯示被測物為真。此外，指示燈上有復(fù)位按鈕，按下，指示燈熄滅，可重新檢測。
考慮到檢測時，被測物和器件之間有可能不完全貼緊，外界的自然光也有可能進入器件中被探測到，從而會影響檢測結(jié)果。因此，將光發(fā)射芯片的工作方式設(shè)置為脈沖工作方式，其驅(qū)動電路如圖6所示，包括脈沖信號發(fā)生部分，和與之連接的脈沖信號放大部分組成(圖中電容控制通過LD的電流通斷，從而控制LD的開關(guān))。從而被測物激發(fā)的信號光也為脈沖光。如果自然光和信號光相混合，進入光探測器后轉(zhuǎn)換成光電流，自然光對應(yīng)的是直流電流，信號光對應(yīng)的是交流電流。如圖7所示的信號處理電路(信號放大判決電路)，包括光電流放大電路，經(jīng)起指示燈作用的發(fā)光二極管與之連接的復(fù)位電路組成，該電路設(shè)計了隔直通交的電路。這樣，最終排除了外界自然光可能造成的干擾。
另外，出于對器件溫度特性的要求，盡可能減小工作發(fā)熱功率，也應(yīng)該采用如圖6所示的驅(qū)動電路，使器件工作在脈沖方式下。
實施例2光發(fā)射、接收芯片的制作如圖2所示的半導(dǎo)體Si基底上的右側(cè)，是一個包括掩埋型SiO2基波導(dǎo)，其外端制作了波導(dǎo)透鏡，用于激光光束的準(zhǔn)直聚焦。在圖2所示的Si基底上的電子線路區(qū)，根據(jù)圖6和圖7所示的電路圖制作了Si上的厚膜電路。
在Si基底的中心部位制作一臺地2，它起著安裝光有源器件芯片的調(diào)準(zhǔn)平面和熱沉作用。將光有源器件，即脊波導(dǎo)半導(dǎo)體激光器通過叩焊芯片技術(shù)安裝在Si臺地上并與SiO2波導(dǎo)進行光學(xué)連接。
關(guān)于光有源器件的設(shè)計和制作，其模型二維橫截面結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。根據(jù)量子阱結(jié)構(gòu)、生長材料和器件參數(shù)的選擇和優(yōu)化，該有源器件為采用具有壓應(yīng)力的漸變折射率單量子阱結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器，為一脊波導(dǎo)器件。材料生長按從下到上的順序依次為n型GaAs緩沖層，厚度為0.3μm，摻雜濃度為1×1018cm-3；n型Ga0.51In0.49P包覆層，厚度為1.5μm，摻雜濃度為1×1018cm-3；有源層沒有摻雜，包括上下光限制層及量子阱和勢壘。量子阱采用具有1.33％壓應(yīng)力，厚度為7nm。光限制層采用GRIN-SCH結(jié)構(gòu)；然后是有源層上面為p型Ga0.51In0.49P包覆層，厚度為1.5μm，摻雜濃度為1×1018cm-3；最后是p型的GaAs接觸層，厚度為0.1μm，摻雜濃度為3×1018cm-3，并與金屬電極形成歐姆接觸。整個元件結(jié)構(gòu)為了形成脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，須用蝕刻方法把元件的左右兩旁蝕刻成脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)，蝕刻深度從p型的GaAs接觸層到p型的Ga0.51In0.49P包覆層1.3μm處。另外，元件脊波導(dǎo)寬度為3μm，兩旁為3.5μm，諧振腔長800μm，前后鏡面反射率為32％。激光器的閾值電流5.56mA，垂直遠(yuǎn)場發(fā)散角即半高全寬(FWHM)為31.9°。
圖3為在Si臺地上安裝光有源器件的細(xì)節(jié)。為了精密調(diào)準(zhǔn)，需要制作調(diào)準(zhǔn)標(biāo)記。將調(diào)準(zhǔn)標(biāo)記與Au電極及AuSn焊料精確地淀積在SiO2鈍化層覆蓋的Si臺地上。波導(dǎo)調(diào)準(zhǔn)標(biāo)記的精度可達±1μm，光器件的片上調(diào)準(zhǔn)標(biāo)記值的制造精度為±0.5μm。如圖3所示，這些調(diào)準(zhǔn)標(biāo)記的調(diào)節(jié)是通過觀察穿透襯底和光器件芯片的紅外光進行調(diào)準(zhǔn)的。垂直方向調(diào)準(zhǔn)可通過調(diào)節(jié)光器件芯片放在焊料表面的高度來完成，規(guī)定垂直方向調(diào)準(zhǔn)精度為±0.5μm。
通過同樣的方式，可以將圖5所示的光接收芯片通過叩焊的方式準(zhǔn)確固定在Si臺地的相應(yīng)位置上。
光接收芯片為生長在砷化鎵基底的磷砷化鎵混合晶光電二極管，其結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。光電二極管結(jié)深控制在0.1μm左右，光敏面約為4平方毫米。芯片的制作選用n-GaAs襯底，其上汽相外延n-GaAsP，控制磷組分為0.4左右，表面采用Zn淺擴散成0.1μm的pn結(jié)。正面蒸發(fā)Al膜光刻出Al電極。背面用AuGeNi形成背面電極。關(guān)鍵在于制作淺pn結(jié)，結(jié)深控制0.1μm。P區(qū)摻雜濃度Na＝1×1016cm-3，N區(qū)采用Te摻雜，濃度為2×1017cm-3。
光接收芯片的響應(yīng)峰值在600nm附近，與需探測的信號光波段相一致。接收到的光信號轉(zhuǎn)換為光電流后，經(jīng)過如圖7所示的放大電路放大約400倍，然后驅(qū)動指示燈亮。
實施例3濾波透鏡的制作如圖1所示，光接收芯片上方有一平凸透鏡。其材質(zhì)為QB21光學(xué)玻璃，為藍色玻璃，對560nm的光波透過率有80％以上，對680nm以上的光波透過率＜4.5％。在透鏡的平面一面鍍增反膜，采用ZnS-MgF的1/4波長膜系，當(dāng)層數(shù)達15層時，對980nm的反射率可達99.6％，配合QB21光學(xué)玻璃，其透射率可減小至0.018％。半波帶寬FWHM(nm)10～20，波長遷移＜0.1nm/℃。設(shè)計透鏡的通光孔徑為90％，直徑為12.7mm。透鏡的焦距為5+0.05mm。
平凹透鏡通過裝置固定在光接收芯片上方，將原頻率的雜散光濾除，透過射入的改變了頻率的信號光波，保留信號光，使其被光接收芯片接收。
權(quán)利要求
1.一種用于金融票證真?zhèn)舞b別的可見近紅外接發(fā)光電子集成器件，其特征在于，包括用于發(fā)射激發(fā)票證上的防偽材料、實現(xiàn)光學(xué)頻率轉(zhuǎn)化的激光的光發(fā)射芯片；用于控制光發(fā)射芯片發(fā)射的激光的控制電路；使光發(fā)射芯片發(fā)出的激光能夠反射到檢測小孔位置并照射在被測物上的反射鏡；用于將被測物激發(fā)出的特定信號光波聚焦、并濾除原頻率的雜散光、只保留信號光的光學(xué)裝置；用于接收上述光學(xué)裝置聚焦濾波后的信號光、并轉(zhuǎn)換成電信號的光接收芯片；用于將光接收芯片轉(zhuǎn)換的電信號放大并驅(qū)動信號指示燈的信號放大判決電路；以及用于判決被測物真?zhèn)蔚男盘栔甘緹簟?br> 2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電子集成器件，其特征在于光發(fā)射芯片的構(gòu)成包括用于發(fā)射激光的光有源器件、用于激光光束的準(zhǔn)直聚焦的光波導(dǎo)和波導(dǎo)透鏡、半導(dǎo)體基底上的用于安裝光有源器件的調(diào)準(zhǔn)平面和熱沉的臺地。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光電子集成器件，其特征在于，光有源器件為用于發(fā)射出980納米波長激光的、具有壓應(yīng)力的漸變折射率單量子阱結(jié)構(gòu)的脊波導(dǎo)半導(dǎo)體激光器。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光電子集成器件，其特征在于，光波導(dǎo)和波導(dǎo)透鏡，為通過叩焊芯片技術(shù)安裝在硅臺地上并與光有源器件光學(xué)連接的掩埋型二氧化硅波導(dǎo)及透鏡。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電子集成器件，其特征在于光接收芯片為生長在砷化鎵基底的磷砷化鎵混合晶光電二極管，并且熱沉在半導(dǎo)體基底上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電子集成器件，其特征在于，用于將被測物激發(fā)出的特定信號光波聚焦、并濾波的光學(xué)裝置為濾波片，采用QB21光學(xué)玻璃上鍍硫化鋅-氟化鎂增反膜系，并制成平凸透鏡。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電子集成器件，其特征在于，光發(fā)射芯片的控制電路為使光發(fā)射芯片工作在脈沖工作方式的脈沖電路，包括脈沖信號發(fā)生電路，和與之連接的脈沖信號放大電路組成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電子集成器件，其特征在于，信號放大判決電路包括光電流放大電路，經(jīng)發(fā)光二極管與之連接的復(fù)位電路組成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項所述的光電子集成器件，其特征在于，上述光發(fā)射芯片、控制電路、反射鏡、光學(xué)裝置、光接收芯片和信號放大判決電路集成在同一半導(dǎo)體基底上。
全文摘要
一種用于金融票證真?zhèn)螜z測的可見近紅外接發(fā)光電子集成器件。本發(fā)明以光學(xué)頻率上轉(zhuǎn)換或下轉(zhuǎn)換信號識別和檢測理論為基礎(chǔ)，將檢測所用的光譜發(fā)射芯片、光信號接收芯片、濾波器件和后繼電路集成到一起，并針對光譜發(fā)射芯片的發(fā)射波長和信號接收芯片的波長響應(yīng)峰值進行設(shè)計。提高了鑒別器件性能的穩(wěn)定性和精確度。
文檔編號G01N21/63GK101075360SQ200710057518
公開日2007年11月21日 申請日期2007年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月1日
發(fā)明者劉鐵根, 江俊峰, 劉穎潔, 陳亞雄, 李晉申, 張凡, 朱均超, 鄧集杰 申請人:天津大學(xué)