基于单片集成光收发芯片的微位移传感技术研究

本项目将研制一种基于VCSEL结构的光源和光探测器单片集成芯片，并进行基于该芯片的微位移传感技术的研究。分析集成芯片结构参数和制备工艺对传感器输出特性的影响，为结构优化提供方向和依据，实现高性能、小型化的微位移传感器。反射式强度调制光位移传感器结构简单、设计灵活，很容易实现对位移、应变、压力、振动、温度以及表面粗糙度等多种物理量的测量，在光传感技术领域占有十分重要的地位。.传统方法中光纤元件的插入损耗、光纤弯曲抖动等状态以及端面污染会对光强探测引入误差，影响测试准确度，采用分立的光源和探测器导致系统体积较大，光源致冷系统增加功耗，限制了在狭小空间环境的应用。因此设计一种光源和光探测器单片集成的芯片，将其直接作为测试探头，避免光纤元件的使用，将使整个传感系统小型化和简易化，并且探头的结构参数可以根据应用需求进行灵活设计，这对于扩展这种传感器的应用范围具有推动作用。

本项目将研制一种基于VCSEL 结构的光源和光探测器单片集成芯片，并进行基于该芯片的微位移传感技术的研究。分析集成芯片结构参数和制备工艺对传感器输出特性的影响，为结构优化提供方向和依据，实现高性能、小型化的微位移传感器。反射式强度调制光位移传感器结构简单、设计灵活，很容易实现对位移、应变、压力、振动、温度以及表面粗糙度等多种物理量的测量，在光传感技术领域占有十分重要的地位。传统方法中光纤元件的插入损耗、光纤弯曲抖动等状态以及端面污染会对光强探测引入误差，影响测试准确度，采用分立的光源和探测器导致系统体积较大，光源致冷系统增加功耗，限制了在狭小空间环境的应用。因此设计一种光源和光探测器单片集成的芯片，将其直接作为测试探头，避免光纤元件的使用，将使整个传感系统小型化和简易化，并且探头的结构参数可以根据应用需求进行灵活设计，这对于扩展这种传感器的应用范围具有推动作用。.本课题基本按任务书计划内容，研制基于VCSEL的光源和光探测器单片集成芯片，并搭建反射式强度调制光位移传感系统并进行实验研究。首先围绕基于VCSEL的光发射接收集成芯片的传感应用需求，重点开展如下内容：1）完成RCE结构GaAs基光电探测器结构参数设计，包括各层材料厚度和掺杂浓度对电场的调节等。2）研究垂直光发射接收集成芯片关键制备工艺和参数：开发并优化器件制备过程中的关键工艺，包括高精度DBR选择腐蚀技术、湿氮氧化技术、量子阱增益和吸收设计等；研究关键工艺物理过程，揭示关键工艺参数和条件与实验结果的内在关联。3）研究光发射与光探测结合技术：通过理论计算，并结合实验研究设计芯片光谱选择性、空间角度选择性，设计激光面发射和探测单元的结构参数。建立了反射式位移传感器的基本结构以及数学模型，通过仿真给出了传感器的输出特性曲线。讨论了传感器探头各参数对于传感器输出曲线特性的影响，给出了根据应用情况选择探头参数的步骤。分析了外界各种干扰因素对传感器探测结果的影响，针对对探测结果影响较大的反射面光滑程度以及角度误差的关系作了讨论。根据数值模拟设计制备了传感头，并进行了初步实验验证，通过水膜厚度检测的应用，得到了光功率比值与水膜厚度的对应关系，实现了0~5mm范围内位移量的线性测量。