一种集成制冷和光纤的红外单光子探测器真空封装结构

(一)技术领域

本发明涉及的是一种集成制冷和光纤的红外单光子探测器真空封装结 构，本发明可用于光纤通信，量子通信，光电测量。属于单光子探测技术领域。

(二)背景技术

单光子探测技术是超灵敏光信号检测的诸多技术之一，在物理学、化 学、生物学等学科以及工程应用领域有着十分广泛的应用。在众多波段的单光 子探测技术中，近红外单光子探测技术由于其应用的广泛性和重要性引起了更 多的关注，尤其是在具有重要应用价值的量子保密通信系统中，通信波段的近 红外单光子探测器作为核心器件，直接决定了系统的通信距离、成码率和误码 率。由于热激发的作用，使得近红外单光子探测器结区的电子从价带跃迁至导 带，从而导致热噪声，热噪声会使探测器产生较多的暗计数，会降低探测器的 灵敏度和探测效率，严重影响到近红外单光子探测器的性能发挥，近红外单光子探测器需要在低温环境下运行。

现有的探测器封装有：陈鹏杰等于2012年公开了一种红外探测器集成 光学封装结构，该结构集成了探测器封装、制冷机构和光学窗口；莫德锋等于 2017年公开了一种集成多级热电制冷器的焦平面红外探测器组件封装结构，该 类型组件可以实现大规模焦平面模块的制冷封装，结构简单、制冷温度低；刘 果等人于2017年公开了一种雪崩探测器耦合封装结构，该发明由雪崩探测器、 自聚焦透镜载体、光纤组件和传输光纤构成，使得探测器的封装结构可以对接 光纤。但是，以上发明存在问题：没有同时将制冷和光纤集成在同一个封装内， 使得它们只能单独用于制冷封装或者集成光纤的封装结构中。

为了解决上述问题，本发明公开了一种集成制冷和光纤的红外单光子 探测器真空封装结构，可用于光纤通信，量子通信，光电测量等领域。该封装 结构同时将制冷和光纤同时集成在一起，使得该封装结构既能对红外单光子探 测器进行制冷又可以进行光纤耦合。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种集成制冷和光纤的红外单光子探测器真空 封装结构，可用于光纤通信，量子通信，光电测量等领域。

一种集成制冷和光纤的红外单光子探测器真空封装结构，由红外单光 子雪崩光电二极管(1)、半导体制冷片(2)、管壳(3)、管脚(4)、散热底壳(5)、可 调焦距透镜(6)、光纤(7)、光纤转接器(8)、封装空腔(9)和光纤接头(10)组成。

本发明是这样实现的：封装结构中管壳(3)和散热底壳(5)紧密连接在一 起，两者密封后通过真空处理使封装空腔(9)内形成真空环境；红外单光子雪崩 光电二极管(1)贴附在半导体制冷片(2)的冷端，半导体制冷片(2)为红外单光子 雪崩光电二极管(1)提供工作运行所需的低温条件，半导体制冷片(2)的热端贴附 在散热底壳(5)上，半导体制冷片(2)将热量传递到散热底壳(5)来进行散热；红 外单光子雪崩光电二极管(1)和半导体制冷片的阴极和阳极通过键合金丝连接 到管脚(4)以便与外部驱动电路连接；光纤转接器8一端固定有光纤(7)，另一端 与管壳(3)的顶部连接，其内部安装可调焦距透镜(6)；红外入射光通过光纤连接 器8耦合到光纤(7)，经过光纤(7)传输到可调焦距透镜(6)，可调焦距透镜(6)将 光纤(7)输出的红外光聚焦到红外单光子雪崩光电二极管(1)的表面。

所述系统中红外单光子雪崩光电二极管(1)是最大探测效率集中在 1550nm波段的单光子雪崩光电二极管材料可是基于锗(Germanium)，铟镓 砷(InGaAs)或者铟镓砷/磷化铟(InGaAs/InP)的任何一种；半导体制冷片(2) 一面为吸收热量温度下降的冷面，一面为释放热量温度上升的热面，红外单光 子雪崩光电二极管(1)的光敏面朝上，底面与半导体制冷片(2)的冷面连接；当半 导体制冷片(2)工作时，冷面会将红外单光子雪崩光电二极管(1)的温度降低到零 下，低温能降低红外单光子雪崩光电二极管(1)的噪声。

所述封装结构中管壳(3)整体呈圆柱结构，顶部连接光纤转接器(8)，呈 圆环状的底部与散热底壳密封连接，封装空腔(9)内部进行真空处理，防止半导 体制冷片(2)制冷时封装空腔(9)内有冷凝水产生，同时真空可以降低封装内的对 流热损失；封装结构中有4个管脚(4)，分别连接到红外单光子雪崩光电二极管 (1)的阳极和阴极及半导体制冷片(2)的正极和负极，以便于与外部电路的连接。

所述封装结构中光纤(7)与红外单光子雪崩光电二极管(1)波段匹配，光 纤(7)一端连接光纤转接器(8)，一端连接光纤接头(10)；外部光源连接光纤接头 (10)，入射的光通过光纤(7)耦合到可调焦距透镜(6)的物方焦点。

所述封装结构中可调焦距透镜(6)的作用是将光纤(7)输出的光线汇聚 到红外单光子雪崩光电二极管(1)的感光部分，其焦距不是固定的，是可以在一 定范围内进行调节的；因为不同的红外单光子探测器具有有不同的感光面积和 不同的厚度，当它们被固定在封装中时，如果可调焦距透镜(6)的焦距固定，这 使得光纤(7)输出的光线无法全部照射到感光部分，使得封装的耦合效率降低； 只有可调焦距透镜(6)的焦距能够可以调节，才可以使得该封装在面对不同感光 面积和不同厚度的红外单光子探测器(1)时，耦合效率始终能够达到最大值。

(四)附图说明

图1是集成制冷和光纤的红外单光子探测器真空封装结构示意图。它 由红外单光子雪崩光电二极管(1)、半导体制冷片(2)、管壳(3)、管脚(4)、散热 底壳(5)、可调焦距透镜(6)、光纤(7)、光纤转接器(8)、封装空腔(9)和光纤接头 (10)组成。

图2是集成制冷和光纤的红外单光子探测器真空封装结构示意图实施 例示意图。它由由红外单光子雪崩光电二极管(1)、半导体制冷片(2)、管壳(3)、 管脚(4)、散热底壳(5)、可调焦距透镜(6)、光纤(7)、光纤转接器(8)、封装空腔 (9)和光纤接头(10)组成。

(五)具体实施方式

下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。

图2给出集成制冷和光纤的红外单光子探测器真空封装结构的实施例。 它是由红外单光子雪崩光电二极管(1)、半导体制冷片(2)、管壳(3)、管脚(4)、 散热底壳(5)、可调焦距透镜(6)、光纤(7)、光纤转接器(8)、封装空腔(9)和光纤 接头(10)组成。所设计封装结构中管壳(3)和散热底壳(5)紧密连接在一起，两者 密封后通过真空处理使封装空腔(9)内形成真空环境；红外单光子雪崩光电二极 管(1)贴附在半导体制冷片(2)的冷端，半导体制冷片(2)为红外单光子雪崩光电 二极管(1)提供工作运行所需的低温条件，半导体制冷片(2)的热端贴附在散热底 壳(5)上，半导体制冷片(2)将热量传递到散热底壳(5)来进行散热；红外单光子 雪崩光电二极管(1)和半导体制冷片的阴极和阳极通过键合金丝连接到管脚(4) 以便与外部驱动电路连接；光纤转接器8一端固定有光纤(7)，另一端与管壳(3) 的顶部连接，其内部安装可调焦距透镜(6)；红外入射光通过光纤连接器8耦合 到光纤(7)，经过光纤(7)传输到可调焦距透镜(6)，可调焦距透镜(6)将光纤(7)输 出的红外光聚焦到红外单光子雪崩光电二极管(1)的表面；不同的红外单光子探 测器具有有不同的感光面积和不同的厚度，当它们被固定在封装中时，使得光 纤(7)输出的光线无法全部照射到感光部分，使得封装的耦合效率降低；需要对 可调焦距透镜(6)的焦距进行调节，使得该封装在面对不同感光面积和不同厚度 的红外单光子探测器(1)时，耦合效率达到最佳。