具体实施方式

下面参考附图对实施例进行描述。不同附图中的相同附图标记表示相同或相似的元件。下面的详细描述并不限制本发明。相反，本发明的范围由所附权利要求书确定。为简单起见，下面的实施例是对用于UV通信的，使用具有无机基钙钛矿纳米晶体的高速、颜色转换光电检测器的系统进行讨论。然而，接下来要讨论的实施例不限于无机材料，而是它们可以与将入射UV光波长转换为可见光并将该可见光供应给Si基光电检测器或其他常规光电检测器的有机材料一起使用检测检测。

在整个说明书中，提到“一个实施例”或者“实施例”时，指的是结合该实施例描述的特定特征、结构或者特性包含在所公开主题的至少一个实施例中。因此，在整个说明书中多个地方出现的短语“在一个实施例中”或者“在实施例中”不一定都是指同一实施例。另外，特定特征、结构或者特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多个实施例中。

根据一个实施例，混合Si基光电检测设备并入了作为UV到可见光颜色转换层的，具有高光致发光量子产率(PLQY)和快速光致发光(PL)衰减时间的CsPbBr₃钙钛矿纳米晶体(NC)以用于高速日盲UV通信。滴铸CsPbBr₃钙钛矿NC的易形成导致高达约73％的高PLQY和在UV区域的强吸收。观察到，与商用Si基光电检测器相比，添加NC层的光电检测器的日盲区的响应度提高了近三倍，并且日盲区的外部量子效率(EQE)提高了约25％。此外，时间分辨光致发光测量展示了在372-nm UV激发源下，衰减时间为4.5ns，从而表明该层具有作为快速颜色转换层的潜力。通过使用混合CsPbBr₃-Si颜色转换光电检测方案与278-nm日盲UVC发光二极管(LED)相结合，实现了在日盲通信中高达34Mbps的明显高数据速率。这些实验展示了用于UV通信的，成分可调的钙钛矿基荧光体和低成本Si基光电检测器的集成高速光接收器设计的可行性。

与其他向下转换发光材料相比，全无机卤化铅钙钛矿(CsPbX₃，其中X＝Cl、Br和I)已成为用于光电应用的一类新型材料，因为它们易于溶液加工合成、可控可见发射光谱、高光致发光量子产率和低光学增益阈值。此外，在卤化铅钙钛矿上使用新型钝化技术和FabryPerot(FP)微腔的最近方法也被证明可以诱导超稳定的放大自发发射(ASE)并且甚至是激光特性。这些进步对于实现高性能光学设备(例如上转换激光器和高分辨率光学显微镜)至关重要。与其他有机卤化物钙钛矿(例如氯化物基和碘化物基钙钛矿NC)相比，CsPbBr₃纳米晶体(NC)具有高度空气稳定特性。此外，CsPbBr₃ NC具有高吸收系数以及用于光检测的适合带隙，并且最近被展示为用在低剂量X射线闪烁器中。

发明人已经观察到，不仅无机钙钛矿材料可以用作高速波长转换材料，而且一些有机材料也可以。因此，一个实施例能够包括寿命小于50ns的高速、无机和/或有机频率下转换层。有机基的频率下转换层的示例如下：寿命为约180ps的BEH-PPV(聚[2,5-双(2'-乙基己氧基)-1,4-亚苯基亚乙烯基])和寿命为约35ps的PTB7(聚[[4,8-双[(2-乙基己基)氧]苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩-2,6-二基][3-氟-2-[(2-乙基己基)羰基]噻吩并[3,4-b]噻吩二基]])。寿命为约1.9ns的SY-PPV(SuperYellow共聚物)也可用于其他光波长。在一个应用中，高速波长转换层能够包括分子式为ABX₃并且寿命为1-50ns的有机金属或无机卤化物钙钛矿(其中A选自Cs⁺、Rb⁺、CH₃NH₃ ⁺和HC(NH₂)₂ ⁺，B选自Pb²⁺、Sn²⁺、Ge²⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Sr²⁺、Ba²⁺、Cu^{2 +}、Fe²⁺、Pd²⁺和Eu²⁺，并且X是卤素Cl^-、Br^-或I^-)。在另一个应用中，有机金属卤化物钙钛矿能够具有约100至1000微米的厚度。在本实施例中，高速波长转换层的长度和宽度能够基于特定用途来进行设计，从微米级到厘米级或甚至更高。

根据一个实施例，提出了一种用于UVC通信链路的新型接收器，并且该接收器使用混合CsPbBr₃-Si颜色转换光电检测方案，其中CsPbBr₃层将UV光转换为可见光，并且硅(Si基PD)将来自CsPbBr₃层的可见光转换为电信号。Si基PD在绿色光谱区域的响应度和外部量子效率(EQE)明显高于在UV区域的响应度和外部量子效率(EQE)。在UV石英基底上的高PLQY滴铸CsPbBr₃钙钛矿NC层能够将入射UV光有效地下转换到绿色波长区域，以实现在UV区域中的光电检测性能增强。该混合光电检测器的测量小信号调制带宽证实了高频调制的可行性。相应地，使用278-nm日盲UVC LED作为发射器并且使用混合CsPbBr₃-Si颜色转换器作为接收器来展示高速日盲UVC通信链路。这种配置展示了在成熟的硅铸造基光电检测器平台中使用高PLQY和高速CsPbBr₃钙钛矿NC层作为颜色转换发光材料以用于高灵敏度和高速UV基通信的可行性。

现在，参照图2讨论该新型接收器。图2示出了接收器200，其具有提供在壳体204内的Si基光电检测器(PD)202和同样位于壳体204内的、形成在透明基底222上的高速波长转换层220。PD 202具有配置成吸收可见光并将其转换为电信号的有源面202A。在一个实施例中，PD 202相对于壳体204被布置为使得有源面202A完全位于腔室224内，这将在后面讨论。两根导线206A和206B被示出为电连接到光电检测器202并且被配置成将由光转换所生成的电流传输到处理单元208。处理单元208可以包括处理器209、存储器211和电源213，例如电池。

由透明基底222、PD 202和壳体204的壁形成的腔室224具有为0至1mm的高度H。如果腔室224的高度H不为零，则腔室被配置成容纳气体，例如氮气，或者处于真空条件下。这意味着在填充氮气或其他气体之后或者在排空任何气体之后，腔室与接收器200的环境密封。

PD 202可以是任何已知的高速Si基光电检测器，或Si基雪崩光电检测器(APD)，或其他III族氮化物基光电检测器。在该实施例中，高速波长转换层220是CsPbBr₃钙钛矿纳米晶体层，其中该纳米晶体在约506nm波长处具有半峰宽为20nm的发射，以及具有高光致发光量子产率(PLQY)。溶液和膜形式的PLQY分别是约100％和约72％。然而，如上所述，其他无机或有机材料可用于高速波长转换层220。在此，为简单起见，假设高速波长转换层220包括CsPbBr₃钙钛矿纳米晶体。

高速波长转换层220形成在高度UV透明基底(例如非晶玻璃、石英或熔融石英)上。壳体204可以由对可见光和UV光谱中的光不透明的任何材料形成，因为不希望接收或漏出通过壳体壁的任何光。

对于该实施例，具有第一波长范围(在该实施例中为UV范围)的第一光240由高速波长转换层220吸收并下转换(就频率而言)，并且在腔室224内再次发射作为具有第二波长范围(在该示例中为可见波长范围)的第二光242。然后，可见光242由高速PD 202吸收并转换为电信号244，该电信号沿着导线206A和206B传输到处理单元208。在本实施例中，能够添加可见光波长区域中的高度反射透镜。

为了提高该装置的效率，在一个实施例中，如图3所示，高度反射光学元件226放置在高速波长转换层220的上方以滤除可见光并允许大部分UV光通过。在一个应用中，高度反射光学元件226是二向色滤光器(由美国科罗拉多州落基山仪器公司制造)，该二向色滤光器能够定制设计以允许在UV区域中的透射率≥90％并且在可见波长区域中的反射率≥99％。

在图3所示的实施例中，还能够添加UV透明微透镜228以将入射光240聚焦到高速光电检测器202上。UV透明微透镜228可以直接位于高度反射光学元件226的顶部上。在一个应用中，根据所需的检测波长，能够将涂层噪声滤光器230添加到微透镜228以提高信噪比。可以选择包括短通、长通、边缘通和/或带通滤光器的涂层噪声滤光器230。涂层噪声滤光器230可以放置在UV透明微透镜228上的任何地方。

图3所示的实施例能够按照现在所讨论的进行修改。例如，图4所示的实施例与图3的实施例类似，不同之处在于已将高速波长转换层220及其透明基底222移向PD 202以使得透明基底222与PD 202直接接触。这意味着腔室224现在由高速波长转换层220、壳体204的壁和光学元件226限定。这样，入射光240由滤光器230和光学元件226过滤以获得到达UV光241。到达UV光241由微透镜228聚焦到高速波长转换层220上，这生成了可见光242，该可见光作用在PD 202上并生成电信号244。

在另一个实施例中，如图5所示，将光学元件226移动为与高速波长转换层220直接接触，并因此，腔室224现在由光学元件226、壳体204的壁和微透镜228限定。如上所述，腔室224可具有为0至1mm的高度H。

在另一个实施例中，如图6A和6B所示，高速波长转换层220夹在包覆层610与612之间，并且直接集成到高速光电检测器202上而没有UV透明基底。光学元件226直接形成在高速波长转换层220上。尽管图6A和6B的实施例示出了直接形成在PD 202上的高速波长转换层220，但在一个变型中，可以首先在透明层222上形成高速波长转换层220，并且然后将透明层直接附接到PD 202。

利用包覆层610和612，从高速波长转换层220再次发射的可见光能够容易地在边界处以全内反射(TIR)呈竖直锯齿形式传播到高速光电检测器202上。要求包覆层折射率n₂低于高速波长转换层220(折射率n₁)的折射率，即n₂＜n₁。如图6B所示，能够添加可见波长区域的高度反射的微透镜228。该微透镜228可以是二向色滤光器，该二向色滤光器允许在UV区域中的透射率≥90％并且在可见波长区域中的反射率≥99％。

如现在参照图7讨论的，高速波长转换层220可以被实现在与高速光电检测器联接的微集成球中。接收器700具有形成微集成球的壳体710，该壳体具有内部腔室714。内部腔室714的形状为球形，并且由壳体710的内表面712限定。壳体710具有用于接收UV光240的入口端710A和用于允许所生成可见光242离开壳体710的出口端710B。在一个实施例中，壳体710具有单个入口和单个出口。这样，大部分(如果不是全部)接收到的UV光240最终由高速波长转换层220转换为可见光242，并且然后大部分(如果不是全部)可见光242由放置在内部腔室714外面的PD 202来采集。PD 202放置在出口710B处。注意的是，由于壳体710的内表面712的球形形状，UV光和可见光这两者在腔室714内部都经历多次反射，直到所有或大部分UV光转换为可见光，并直到所有或者大部分可见光被供应给PD 202。因此，这样的接收器具有UV光转换为可见光的非常高的转换率，并且也具有在PD 202上可见光的高采集率。高速波长转换层220形成在其高度透明基底222上，并且可以例如利用悬杆720来悬挂在球形内表面712中心。在一个应用中，内表面712可具有高UV反射涂层，例如聚四氟乙烯(PTFE)。可以使用具有类似特性的其他材料。

以上讨论的所有实施例的共同点是可以选择高速波长转换层220的化学成分以实现所期望输出的可见波长，例如，为400至800nm。例如，当使用上文讨论的CsPbBr₃钙钛矿纳米晶体层220时，则UV光转换为绿光。然而，根据高速波长转换层220的化学成分可以将UV光转换为蓝光或红光，或可见光范围内的任何其他所期望的波长。

现在参照图8来讨论用于在高度透明基底222上形成高速波长转换层220的方法。对于该示例，高速波长转换层220被认为是包括CsPbBr₃钙钛矿纳米晶体的。该过程通过提供基底222在步骤800中开始。基底可以是UV石英。在步骤802中，清洁基底，在步骤804中将CsPbBr₃钙钛矿溶液滴铸到基底上，并且在步骤806中将基底上的所滴铸钙钛矿溶液在空气中干燥例如1小时。然后，在步骤808中，将高速波长转换层220和高度透明基底222在壳体204处与PD 202组装，以形成接收器200。

关于步骤804，CsPbBr₃ QD溶液例如从Quantum Solutions LLC(www.quantum-solutions.com)商购获得。QD具有作为表面配体的油酸和油胺，并分散在甲苯中，其QD浓度约为20mg/mL。在通过使用甲苯稀释QD溶液来制备的样品上执行TEM，将该样品滴铸到formvar/碳涂层的300目铜TEM网格上以进行分析。将CsPbBr₃ NC层滴铸到UV石英基底上并干燥以允许溶剂蒸发以进行光学表征。

图9A和9B示出了用于接收器200和700的CsPbBr₃钙钛矿NC的透射电子显微镜(TEM)和高分辨TEM(HR-TEM)图像。图9B中示出的相应HR-TEM图像显示了平均尺寸约为6.39±0.6nm的立方NC。图9C示出了CsPbBr₃钙钛矿NC的吸收900光谱和光致发光(PL)910光谱。注意的是，CsPbBr₃钙钛矿NC层220在大约506nm处具有窄半峰宽(FWHM)为19nm的尖锐的PL发射912。同时，还观察到在UV区域902中的强吸收。此外，如图9D所示，从在372nm激发后在506nm处监测到的PL衰减轨迹中测量了在CsPbBr₃钙钛矿NC层220的光激发电子与空穴之间的辐射复合时间920。在506nm处采集PL寿命衰减曲线。衰减曲线920能够与寿命约为4.5±0.1ns的单指数函数拟合，从而显示出该层作为高速发光材料的潜力。

此外，发明人测量了分散在甲苯中并滴铸到石英基底上的CsPbBr₃钙钛矿NC的PLQY，并且发现PLQY在溶液形式中接近一，而在薄膜形式中PLQY降低到约73％。这些测量证明了，CsPbBr₃钙钛矿NC层具有明显高于用于Si基接收器的其他下转换材料的PLQY，该其他下转换材料例如，三-(8-羟基喹啉)铝(Alq3)、N,N'-二苯基-N,N'-双-(3-甲基苯基)-1,1'-联苯-4,4'-二胺、双-(8-羟基喹哪啶)-氯镓(Gaq′₂Cl)、芴共聚物和SuperYellow。与其他有机基发光材料相比，在PLQY方面的改进很大程度上归因于由于维度降低(从3D体层到0DNC)而提高的复合率，以及独特的合成方法导致NC的表面缺陷减少和油酸和油胺配体的表面钝化。使用这种方法，钙钛矿NC不易受环境变化的影响，并且因此即使在周围环境下以薄膜的形式也能产生较高的PLQY。此外，与具有约30-52％PLQY和几十纳秒PL衰减时间的商业化CdSe基NC相比，明显的是，通过CsPbBr₃钙钛矿NC来实现的PLQY明显更高，同时具有更快的PL衰减时间(＜5ns)。

上文讨论的接收器200和700的优点是可以实现数据或信息的编码和解码，即实现UV基通信。在这方面，现在讨论UV基接收器200和700的各种特征。为了有效采集从CsPbBr₃钙钛矿NC层220再次发射的光，使用图7中所示的接收器700来测量添加和不添加发光材料的Si基PD 202的响应度。使用有效面积为13mm²的可商购的Si基PIN结光电检测器(例如，由Thorlabs Inc.制造，FDS100)以进行比较。图10示出了商购Si基PD的测量响应度；明显的是，响应度朝向UV区域(＜380nm)明显下降(＜0.1A/W)。该观察结果能够很大程度上归因于本领域已知的UV光在Si基层中的低穿透深度，例如几十纳米。

为了避免这个问题，接收器200或700将由高PLQY的CsPbBr₃ NC层220所吸收的UV光下转换到绿色波长区域，其中如图10所示，Si基PD表现出高达0.2A/W的更高响应度。因此，本质上通过使用层220，PD 202主要暴露到绿光而非UV光。

图11A示出了在黑暗条件下(线1100)以及在270-nm(线1102)和510-nm(线1104)激发源下从0V到-20V(反向偏压)的Si基PD 202的所测量I-V特性。使用中性密度(ND)滤光器将两个测量波长为270nm和510nm的入射光强度校准到8.5μW/cm²。在270-nm光源激发下生成的光电流比在510-nm光源激发下生成的光电流大约低一个数量级。值得注意的是，通过在集成球设备700中的高度UV透明石英基底222上添加CsPbBr₃钙钛矿NC层220，下转换方法允许即使在270-nm光源激发下，Si基PD 202也有更高的吸收，从而生成更高的光电流(见线1106)，该光电流明显更接近在510-nm光源激发下的光电流。然而，当CsPbBr₃层220在照明状态下，一部分被吸收的光子会根据增强层的量子产率以更长的波长再次发射，而剩余部分未被吸收或被散射的光子能够逃逸到Si基PD 202中，而没有任何光子转换过程[1]。这些光子将导致在Si基PD 202中从两个不同的波长(例如510nm和270nm)中光生成额外的载流子。

为了评估提出的颜色转换CsPbBr₃ NC层220的实际光生载流子，本发明人还利用安装在集成球700与Si基PD 202之间的500-nm长通(LP)滤光器(例如Thorlabs，FELH0500)测量了由此产生的I-V特性。通过使用LP滤光器以防止未吸收的UV波长光子被Si基PD 202检测到，如图11A所示(见线1108)，该光生载流子保持高于在270-nm照明(线1102)下没有CsPbBr₃ NC层220的光生载流子。

在使用集成球接收器700时，发明人还测量了在UV波长区域中添加和不添加CsPbBr₃钙钛矿NC层220的Si基PD 202的响应度。响应度(R)是光电检测器的关键品质因数，并且它能够基于所生成的光电流(I_photocurrent)和入射光功率(P_incident)来被如下计算为：

图11B示出了在整个UVC到UVA区域(250-380nm)中，裸Si PD 202的响应度光谱1120和在集成球700中插入滴铸CsPbBr₃钙钛矿NC层220的PD 202的光谱1122。该图还示出了裸PD传感器和UV石英窗的光谱1124。以10-nm的间隔进行测量。

图11B示出了响应度1122保持比裸Si基PD 202的响应度1120高得多，尤其是在UVC波长区域中，其中已知Si基PD表现出低响应度。这种提高能够归因于CsPbBr₃ NC层220的高PLQY和高UVC吸收。由于在CsPbBr₃ NC层220的近带边缘处的光吸收降低，响应度朝向更长波长减小，这超出预期的UV工作波长。尽管如此，接收器200或700的特性与使用有机基发光材料的[1]相当。在[1]中，由于吸收光谱引起的下降，有机基层在250至300nm之间表现出降低的光响应。

相比之下，如图9C所示，CsPbBr₃钙钛矿NC层220的吸收光谱朝向更短波长区域逐渐增加，并且因此，即使在深UV波长区域中，光响应也保持相对稳定。此外，已知[1]中的有机基层也具有长的PL衰减时间，这可能会限制该有机基层在高速UV基通信中的实际应用。接收器200和700增强的响应度能够明显提高PD的灵敏度和SNR比率，尤其是在检测低强度UVC光源中。

此外，发明人计算了在集成球接收器700中添加和不添加CsPbBr₃钙钛矿NC层220的Si基PD 202的光子转换效率，光子转换效率也称为外部量子效率(EQE)。EQE是由光电二极管生成的电子-空穴对与入射光子的比率：

其中R_λ是以A/W为单位的响应度，λ_incident是以nm为单位的激发波长，h是普朗克常数，c是真空中的光速，并且e是基本电荷。图11C示出了，基于所测量的响应度，裸Si基PD202的所计算EQE 1130和在集成球接收器700中包含CsPbBr₃钙钛矿NC层220的PD 202的EQE1132。通过使用CsPbBr₃钙钛矿NC 220，由于在光子转换过程后光子吸收的增强和光生载流子的增加，在270nm处观察到高达38％的高EQE 1132。值得注意的是，在270nm波长处观察到外部量子效率增加约高达25％。在UVC波长区域中明显提高的EQE归因于光子转换过程后光子吸收的增强和光生载流子的增加。同样值得注意的是，载流子倍增过程并不明显，因为在UV波长区域中的光电检测器的EQE保持低于绿色波长区域的EQE，即在510nm处约46.41％。

在大约270nm处观察到的EQE峰与吸收光谱的峰位置很好地对应，如之前的图9C所示，它比300nm以上表现出更高的光子吸收。这种现象导致更多数量的光子被转换为更长的波长，其中Si基PD 202表现出更高的响应度。在270nm处的吸收系数估算为1.16×10³cm^-1，其相对高于在350nm段中的约0.89×10³cm^-1的吸收系数。

用于评估PD性能的另一个相关参数，即比检测度(D*)也是基于公式(3)计算的，如下所示：

其中A是以cm²为单位的设备面积，NEP是以WHz^-1/2为单位的噪声等效功率，e是1.602×10^-19库仑的基本电荷，I_d是以安培为单位的暗电流，并且R_λ是以A/W为单位的响应度。如图11D所示，混合CsPbBr₃-Si光电检测接收器200或700的D*1140在270nm处确定为7.4×10^-12cmHz^1/2W^-1，这高于裸Si光电检测器202的D*1142，该D*1142在相同的测量波长处为2.5×10^-12cmHz^1/2W^-1。

此外，基于噪声等效功率(NEP)还评估了所提出的接收器的噪声相关性能。NEP定义为生成等于噪声电流的输出光电流以产出为1的SNR的输入光功率量。如基于公式(3)所计算的，在UVC区域中，裸Si基光电检测器的NEP被计算为在250nm和270nm处分别高达1.49×10^-13和1.40×10^-13WHz^-1/2。通过使用所提出的具有CsPbBr₃钙钛矿NC层220的颜色转换方案，对于在250nm和270nm处的相同测量波长而言，NEP减少了半个数量级以上，分别为5.75×10^-14和4.86×10^-14WHz^-1/2。通过使用所提出的颜色转换方案，与裸Si基PD的NEP相比，更低的NEP有助于降低本底噪声和增强检测度，尤其是在UVC波长区域中。

图12总结了该新型接收器与各种商用和改进的Si基光电检测器的性能比较。对于接收器200/700(在表格的最后一行列出)，虽然其调制带宽低于一些传统设备，但当NC以薄膜形式滴铸时，在接收器200/700中的PLQY明显高出约30％，并且因此表现出可以改进光电检测的更高的光子转换效率检测。此外，与之前的工作相比，在接收器200/700中较低的调制带宽可归因于CsPbBr₃钙钛矿NC中的竞争带状态和复合机制的动态。与其他现有设备相比，图12表明了具有高PLQY和快速PL衰减时间的CsPbBr₃钙钛矿NC层220的优异性能，以在UV基通信链路中用于新型接收器设计和与Si基接收器202的潜在单片集成。

为了进一步研究用于UV基通信链路的CsPbBr₃钙钛矿NC层220的光稳定性，发明人在强UVC照明下，在周围环境中进行了24小时PL应力测试。前3小时PL强度的逐渐增加可归因于减少溶剂的蒸发以及与CsPbBr₃钙钛矿NC动态相关的额外发射中心的形成。在随后的12小时内，PL强度在环境条件下保持稳定。光稳定性超过在几小时内降解的其他未经处理的CsPbBr₃钙钛矿NC。在聚焦UVC光源下连续强照射16小时后，PL强度的降低最有可能是由于铅原子的热降解和光氧化。CsPbBr₃钙钛矿NC层220的性能能够进一步提高，例如，通过在钙钛矿基NC薄膜上涂覆强疏水性硅树脂，这已被证明可以提高光稳定性和耐水特性。

为了研究CsPbBr₃钙钛矿NC层220对UV基通信链路的潜在应用，使用图13中所示的配置1300测量了CsPbBr₃钙钛矿NC层的小信号调制带宽。为了消除发射器和接收器其他部分的带宽限制，使用具有高达几GHz的高调制带宽的70-mW、375-nm UV激光二极管(LD)1302和设备面积为0.2mm，可调增益高达5×10⁵V/W的Si基雪崩光电检测器(APD)202。UV光通过平凸透镜1304被引导到接收器700的入口710A中并被聚焦到集成球接收器700内部的CsPbBr₃钙钛矿NC层220上。另一系列平凸透镜1306和物镜1308设置在接收器700的出口端710B处以采集从CsPbBr₃钙钛矿NC层220再次发射的光子。在进入APD 202之前，UV光通过使用500-nm长通滤光器1310来被过滤。

如图13B所示，通过从300kHz到3GHz扫描由控制器1320施加到LD1302的正弦AC调制信号，没有CsPbBr₃钙钛矿NC 220的系统的3dB带宽1330被确定为大约380MHz。添加有CsPbBr₃钙钛矿NC层220和500-nm长通滤光器1310后获得了大约70.92MHz的3dB带宽1332。当CsPbBr₃钙钛矿NC层220插入到接收器700中时，在10MHz处的归一化响应的逐渐下降是由系统的整体频率响应引起的。这种逐渐下降在-3dB带宽之内，并且其能够在最终的系统实现中使用电子硬件或软件处理，通过功率预均衡或后均衡来进行校正。

除了相对于Si基PD 202的增强响应度外，这种增强的带宽对于与针对UVC通信链路的高速Si基PD的集成而言具有巨大潜力。通过利用短的载流子复合寿命(～ns)的优势，在UV激发下所展示的调制带宽明显高于在YAM:Eu³⁺基(msec)、Sr₅(PO₄)_3-x(BO₃)_xCl:0.04Eu²⁺基(～μsec)和Ca₈MgLu_1-x(PO₄)7:xTb³⁺基(～msec)荧光体的情况下的调制带宽。此外，所展示的几十MHz的高带宽明显高于任何其他荧光体材料，从而展示出其在UV基应用中用于高速数据通信的潜力，同时在Mbps范围也满足IEEE 802.11a、b和g标准的要求。

在CsPbBr₃钙钛矿NC层220中所展示的高调制带宽也超过了其他胶体半导体NC基光电检测器(例如CdSe量子点(～50kHz))的高调制带宽。此外，虽然一些已发表的研究已经展示了高达数百兆赫兹的高调制带宽，但是也观察到这些设备在UV区域中的吸收减少和低PLQY，这限制了这些材料在UV通信领域的应用。

发明人还展示了，CsPbBr₃钙钛矿NC层220能够通过使用开关键控(OOK)调制方案在日盲UVC通信链路中用作Si基PD的颜色转换发光材料。在OOK调制中，发送伪随机二进制序列(PRBS)2¹⁰-1数据格式以光学调制发射器，其中数字数据的1或0分别由载波的存在或不存在来表示。OOK调制可以在图2所示的处理设备208中实现。在这方面，处理设备208可以包括构造成对在接收器200/700处接收到的信号进行解码的处理器。如图14A所示，配置1400包括用于激发接收器700中CsPbBr₃钙钛矿NC层220的278-nm UVC LED1402，而由CsPbBr₃钙钛矿NC层220所生成的绿色发光1404在进入Si基APD202之前穿过一系列平凸透镜1406、物镜1408和500-nm长通滤光器1410。6V的DC偏压和2V_p-p的AC调制峰间电压由T型偏置器1420来供应给LED1402。T型偏置器1420连接到DC电源1422并且连接到用于发射器端部的BER测试器1424。BER测试器1424在接收器端部处电连接到BER测试器1426，并且BER测试器1426接收由PD 202所生成的电信号。多功能分析工具1428可以连接到BER测试器以用于测量各种电参数。

在6-V DC偏压处，测得的发射光输出功率约为0.8mW。在该配置中，UVC LED 1402与CsPbBr₃钙钛矿NC层220之间的距离为3.5cm，而CsPbBr₃钙钛矿NC层220到Si基APD 202的距离约为20cm。注意的是，在该实施例中，UVC LED 1402放置在入口端710A处。如图14B所示，为了进行比较，发明人还测量了在没有CsPbBr₃钙钛矿NC层220和500-nm长通滤光器1410，仅有UV LED 1402的情况下在不同数据速率下实现的BER。1.6的光密度(OD)滤光器用于降低照射APD 202的光功率，其中在APD之前测得的照射功率约为0.531μW，远低于APD的饱和极限。在此之前，还测量了系统带宽，其中由于发射器端部处的限制，3-dB带宽被限制在11.13MHz。在仅有UVC LED的情况下，最高可实现的数据速率被记录为每秒25兆比特(Mbps)，其所测量的BER为1.4×10^-3，低于3.8×10^-3的前向纠错(FEC)极限。图14B的插图示出了SNR比率约为3.88的对应眼图，和高于FEC极限的数据速率的近闭合眼图。

如图14C所示，当使用颜色转换CsPbBr₃钙钛矿NC层220时，由于Si基APD 202对绿色波长而非UV波长具有更高的光学灵敏度，所以实现了34Mbps的更高数据速率和3.24的SNR。图14C的插图示出了在34Mbps处的相应眼图。在CsPbBr₃钙钛矿NC的情况下，在500-nm长通滤光器之后照射APD的所测量光功率为0.508μW。鉴于在两个不同波长即278nm和506nm处照射APD的相似光功率，在CsPbBr₃钙钛矿层的情况下，基于以下公式，能够预期输出电压(V_out)的更高振幅、更高的接收信号功率以及高SNR：

V_out＝P_illuminance×R_λ×G (4)

其中V_out是输出电压，P_illuminance是照射APD的功率，R_λ是Si基APD在不同波长下的响应度，并且G是跨阻增益。通过在接收器端部处使用颜色转换发光材料，[3]展示了与直接使用蓝色LED的通信链路相比增强的信号和增强的光学增益。然而，在该工作中，在UV波长区域观察到低吸收，这限制了他们的材料应用到UV基通信链路。

通过使用更复杂的调制方案(例如，正交频分复用)、预均衡、比特加载和功率分配，能够进一步提高所实现的数据速率。此外，随着日盲UVC LED调制带宽的改进和UVC LD的实现，在不久的将来，类似于本文讨论的接收器能够预期高达数百兆赫兹的更高调制带宽。

新型接收器200和700的响应度提高了近三倍，并且其EQE提高了约25％。这些接收器展示了，在日盲UVC通信链路中，可以使用混合CsPbBr₃-Si颜色转换器以实现70.92MHz的大的小信号调制带宽和高达34Mbps的高数据速率。这种基于成分可调的钙钛矿基荧光体的方法利用了低成本的单片集成和成熟的用于高速UV光电检测的成熟Si基器件。虽然上文讨论集中在CsPbBr₃钙钛矿NC层220上，但可以使用其他无机或有机材料将UV光转换为可见光。

根据图15所示的实施例，存在一种使用UV光来传输数据的方法。该方法包括发射对信息进行编码的第一UV光240的步骤1500，在高速波长转换层220处接收第一UV光240的步骤1502，利用高速波长转换层220再次发射具有与第一UV光不同波长的第二光242的步骤1504，利用高速光电检测器202将第二光242转换为保留编码信息的电信号244的步骤1506，以及利用处理单元208从电信号244解码信息的步骤1508。高速波长转换层220的材料配置成以至少每秒兆比特的速度响应光强度的变化。在一个应用中，第二光是可见光。材料可以包括CsPbBr₃钙钛矿纳米晶体，并且高速光电检测器是硅基的。

所公开的实施例提供了一种使用UV光进行数据通信的方法和系统。应当理解，该描述无意限制本发明。相反，实施例旨在覆盖包括在由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围内的替代、修改和等同形式。此外，在实施例的详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对所要求保护的发明的全面理解。但是，本领域技术人员将理解，可以在没有这样的具体细节的情况下实践各种实施例。

尽管在实施例中以特定组合描述了本实施例的特征和元件，但是每个特征或元件可以在没有实施例的其他特征和元件的情况下单独使用，或者以具有或不具有本文所公开的其他特征和元件的各种组合来使用。

本书面描述使用所公开主题的示例，以使本领域的任何技术人员能够实践该主题，包含制造和使用任何设备或系统以及执行任何合并的方法。该主题的可专利范围由权利要求限定，并且可以包含本领域技术人员想到的其他示例。这样的其他示例旨在落入权利要求的范围内。

参考文献

[1]Levell,J.W.,Giardini,M.E.&Samuel,I.D.W.A hybrid organicsemiconductor/silicon photodiode for efficient ultravioletphotodetection.Optics Express 18,3219-3225(2010)。

[2]Kuhlmann,W.Photodetector for ultraviolet light radiation.(2004)。

[3]Dong,Y.R.et al.Nanopatterned luminescent concentrators for visiblelight communications.Optics Express 25,21926-21934(2017)。

[4]Zhang,M.J.et al.Perovskite quantum dots embedded composite filmsenhancing UV response of silicon photodetectors for broadband and solar-blindlight detection.Advanced Optical Materials 6,1800077(2018)。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种高速钙钛矿基波长转换接收器(200)，所述接收器(200)包括：

壳体(204)；

高速波长转换层(220)，其附接到所述壳体(204)，并且配置成吸收具有第一波长范围的第一光(240)并发射具有与所述第一波长范围不同的第二波长范围的第二光(242)；以及

高速光电检测器(202)，其附接到所述壳体(204)，并且具有有源面(202A)，所述有源面配置成吸收具有所述第二波长范围的第二光(242)并生成电信号(244)，

其中所述光电检测器(202)的有源面(202A)完全放置在所述壳体(204)内，并且

其中所述第一光是紫外(UV)光并且所述第二光是可见光。

2.根据权利要求1所述的接收器，其中所述高速波长转换层(220)的材料配置成以至少每秒兆比特的速度来响应光强度的变化。

3.根据权利要求1所述的接收器，其中所述高速波长转换层是寿命小于50ns的有机金属卤化物钙钛矿或无机卤化物钙钛矿。

4.根据权利要求1所述的接收器，其中所述高速波长转换层包括ABX₃钙钛矿纳米晶体，其中A选自Cs⁺、Rb⁺、CH₃NH₃ ⁺和HC(NH₂)₂ ⁺，B选自Pb²⁺、Sn²⁺、Ge²⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Sr²⁺、Ba²⁺、Cu²⁺、Fe²⁺、Pd²⁺和Eu²⁺，并且X是卤素Cl^-、Br^-或I^-。

5.根据权利要求1所述的接收器，其中所述高速波长转换层包括CsPbBr₃钙钛矿纳米晶体。

6.根据权利要求1所述的接收器，其中所述高速光电检测器是Si基或III族氮化物基光电检测器。

7.根据权利要求1所述的接收器，其中所述高速光电检测器的目标是对所述第二光而不是所述第一光为高速的，以用于波长选择的应用。

8.根据权利要求1所述的接收器，其中所述壳体的壁、所述高速光电检测器，以及其上形成有所述高速波长转换层的基底限定腔室，并且所述高速光电检测器的有源面完全放置在所述腔室内。

9.根据权利要求1所述的接收器，还包括：

高度反射光学元件，其放置在所述高速波长转换层上方以从所述第一光中滤除可见光；

UV透明微透镜，其放置在所述高度反射光学元件上方；以及

涂层噪声滤光器，其附接到所述UV透明微透镜。

10.根据权利要求1所述的接收器，其中UV透明基底直接形成在所述高速光电检测器上方，并且所述高速波长转换层直接形成在所述UV透明基底上方。

11.根据权利要求1所述的接收器，还包括：

夹住所述高速波长转换层的侧面的包覆层，

其中所述高速波长转换层直接形成在所述高速光电检测器上。

12.根据权利要求11所述的接收器，其中所述包覆层的折射率小于所述高速波长转换层的折射率。

13.一种高速钙钛矿基波长转换接收器(700)，所述接收器(700)包括：

具有球形内腔室(714)的壳体(710)，所述球形内腔室(714)具有用于接收具有第一波长范围的第一光(240)的入口端(710A)和用于释放具有与所述第一波长范围不同的第二波长范围的第二光(242)的出口端(710B)；

高速波长转换层(220)，其位于所述球形内腔室(714)内并且配置成吸收所述第一光(240)并发射所述第二光(242)；以及

高速光电检测器(202)，其位于所述出口端(710B)处并且具有有源面(202A)，所述有源面配置成吸收具有所述第二波长范围的第二光(242)并生成电信号(244)，

其中所述高速波长转换层(220)的材料配置成以至少每秒兆比特的速度来响应光强度的变化，其中所述第一光是紫外(UV)光并且所述第二光是可见光。

14.根据权利要求13所述的接收器，其中所述高速波长转换层是寿命小于50ns的有机金属卤化物钙钛矿或无机卤化物钙钛矿。

15.根据权利要求13所述的接收器，其中所述高速波长转换层包括ABX₃钙钛矿纳米晶体，其中A选自Cs⁺、Rb⁺、CH₃NH₃ ⁺和HC(NH₂)₂ ⁺，B选自Pb²⁺、Sn²⁺、Ge²⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Sr²⁺、Ba²⁺、Cu²⁺、Fe²⁺、Pd²⁺和Eu²⁺，并且X是卤素Cl^-、Br^-或I^-，并且所述高速光电检测器是Si基的。

16.根据权利要求13所述的接收器，其中所述高速波长转换层包括CsPbBr₃钙钛矿纳米晶体，并且所述高速光电检测器是Si基或III族氮化物基光电检测器。

17.根据权利要求13所述的接收器，还包括：

在所述球形内腔室上的高UV反射涂层；以及

高度透明基底，所述高速波长转换层直接形成在所述高度透明基底上。

18.一种使用紫外(UV)光来传输信息的方法，所述方法包括：

发射(1500)对所述信息进行编码的第一UV光(240)；

在高速钙钛矿基波长转换层(220)处接收(1502)所述第一UV光(240)；

利用所述高速波长转换层(220)再次发射(1504)第二光(242)，所述第二光的波长不同于所述第一UV光，其中所述第二光是可见光；

利用高速光电检测器(202)将所述第二光(242)转换(1506)为保留编码信息的电信号(244)；以及

利用处理单元(208)从所述电信号(244)解码(1508)所述编码信息，

其中所述高速波长转换层(220)的材料配置成以至少每秒兆比特的速度来响应光强度的变化。

19.根据权利要求18所述的方法，其中所述高速波长转换层包括CsPbBr₃钙钛矿纳米晶体，并且所述高速光电检测器是Si基的。

20.根据权利要求18所述的方法，其中所述高速波长转换层是寿命小于50ns的有机金属卤化物钙钛矿或无机卤化物钙钛矿。

21.根据权利要求18所述的方法，其中所述高速波长转换层包括ABX₃钙钛矿纳米晶体，其中A选自Cs⁺、Rb⁺、CH₃NH₃ ⁺和HC(NH₂)₂ ⁺，B选自Pb²⁺、Sn²⁺、Ge²⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Sr²⁺、Ba²⁺、Cu²⁺、Fe²⁺、Pd²⁺和Eu²⁺，并且X是卤素Cl^-、Br^-或I^-，并且所述高速光电检测器是Si基的。