CN101030830B - 基于微碟结构的微波接收和转换装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了应用于ROF系统中的一种基于微碟结构的微波接收和转换装置。利用电光效应来调制接收到的微波信号。由激光器发出的光进入光波导，光波导在基片上形成对称M—Z干涉结构，这种结构的存在能够将相位调制转化成强度调制，在M—Z干涉结构的两臂上分别耦合微碟光波谐振腔，在其中一个微碟光波谐振腔上加电极，形成单臂调制结构；若在两个微碟光波谐振腔上都加电场，则以推挽方式工作。另外，微波信号通过微带线耦合进入金属微波谐振腔，形成电场作用于微碟光波谐振腔。由于微碟的超高Q值以及同时谐振的原理，这个微波接收装置具有非常高的灵敏度和频率选择性，选择波导作为耦合器又可以减小整个装置的尺寸，方便以后的集成工作。

Description

基于微碟结构的微波接收和转换装置

技术领域

本发明涉及一种微波接收和转换装置，尤其涉及应用于ROF(radio overfiber)体系的微波接收和转换装置。

背景技术

在宽带通信领域，无线接收终端越来越显得重要，无论是在室外(手机)还是室内(局域网)。为了能够提供更丰富的通讯形式(声音，数据，视频，多媒体…)，无线系统必须在现今的基础上提供更高的传输带宽。

现今，无线局域网(IEEE802.11a/b/g)能达到54Mbps的传输带宽，工作频率在2.4GHz和5GHz，3G(3generation)移动网(IMT2000/UMTS)能提供2Mbps的传输带宽，工作频率在2GHz附近。要达到更高的传输带宽必须采用更高的传输频率(6GHz以上)，但是随着传输频率的继续提高，微波在大气中的损耗会大大的增加，从而缩小传播距离，而且处理高频信号要求电子器件有更高的性能，如果能将微波信号转换为光信号并通过光纤来传输，这方面的一系列问题将得到解决。

将微波信号转化为光信号并通过光纤来传播的通讯系统就被称为ROF系统。ROF系统相比较传统的射频传输系统的优缺点：

1.低衰减

射频信号无论是在大气或者传输介质中传播，传播损耗都会随着频率的增加而增加，而且制作这种收发装置也会越发昂贵。当信号频率达到毫米波量级时，短距离的传播也要耗费大量的人力物力。如果我们将射频信号转化成光信号在光纤中进行传输，我们就不用担心传输中所产生的损耗问题了，因为现有的玻璃光纤可以将传输损耗控制在0.2dB/km(1550nm)。

2.宽带宽

光纤传输可以拥有惊人的高带宽，如今，光纤传输已经能达到1.6THz的带宽，当然，这个数据还有很大的提升空间。

3.微波干扰免疫能力

这是ROF非常明显的一个优点，因为微波信号被转化成光信号在光纤中传输，被干扰变得没有可能，甚至通讯中的偷听事件也会被避免。

4.另外，将微波信号转换为光信号也对将来的全光系统有利。

其将来完全有可能的应用环境有：

(1)基于光纤到户的无线局域网

(2)光纤无法到达地域的无线mm波通信

(3)基于光纤网络的移动手机通信

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于微碟结构的微波接收和转换装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

包括半环形金属微波谐振腔，微碟光波谐振腔，圆柱形金属衬底，微波耦合的微带线和光波导组成的M—Z干涉结构的耦合波导。微碟光波谐振腔上面通过溅射或者沉淀的方式附着半环形金属微波谐振腔，微碟光波谐振腔的下面通过金属黏合圆柱形金属衬底，微碟光波谐振腔粘有金属微波谐振腔的一侧1/2处置微带线，不粘有金属微波谐振腔的一侧置耦合波导。

所述的耦合波导上波导为由S弯曲波导形成的M—Z干涉结构，M—Z干涉结构的另一侧再耦合一个微碟光波谐振腔作为光程补偿器，在这个微碟光波谐振腔上方接圆柱形金属衬底，下方置半环形金属微波谐振腔以及对应的微带线，形成推挽式结构。

所述的微碟光波谐振腔为电光材料，对称的圆球台柱形结构，圆球台柱的侧面光滑度要求达到Rms<(λ/100)，λ为所用光波的波长，λ＝1550nm，微碟光波谐振腔的高度范围在0.1～1mm。

所述的半环形金属微波谐振腔由金属薄膜附着在微碟光波谐振腔上形成，环形金属薄膜外环紧贴微碟光波谐振腔的边缘，厚度1～10微米，内环外环半径差为100～500微米；微带线与微波谐振腔之间的间隙在一个微波波长以内；圆柱形金属衬底通过银浆附着在微碟光波谐振腔底面作为微波电极。

所述的M—Z干涉结构的耦合波导由铌酸锂平板片子上制作波导形成，M—Z干涉结构两臂之间的距离大于微碟光波谐振腔的厚度，在耦合波导微碟光波谐振腔之间的距离范围在0～2λ。

本发明具有的有益效果是：这种结构可以提高整个器件的集成度，方便光波与微碟谐振腔的耦合，结构紧凑、尺寸小，采用推挽式的工作方式可以令器件达到一个双边调制的效果，使调制效果更加显著。

附图说明

图1是包括微碟、波导、电极、衬底在内的剖面图(微碟与波导内的灰色区域说明了光场的分布情况)；

图2是器件的耦合机制，包括微波的微带线耦合与光波的波导耦合；

图3是包括光程补偿微碟在内的器件剖面图；

图4是铌酸锂片子上S弯曲波导形成的M-Z干涉结构，要求两臂间距大于微碟厚度；

图5是在光程补偿微碟上制作电极和金属衬底，形成与原微碟对称的结构，达到推挽式的工作效果。

图中：1、半环形金属微波谐振腔，2、微碟光波谐振腔，3、圆柱形金属衬底，4、微波耦合的微带线，5、耦合波导，6、微碟光波谐振腔，7、半环形金属微波谐振腔，8、微波耦合的微带线。

具体实施方式：

如图1、图2所示，本发明包括半环形金属微波谐振腔1，微碟光波谐振腔2，圆柱形金属衬底3，微波耦合的微带线4和光波导组成的M—Z干涉结构的耦合波导5。微碟光波谐振腔2上面通过溅射或者沉淀的方式附着半环形金属微波谐振腔1，微碟光波谐振腔的下面通过金属黏合圆柱形金属衬底3，微碟光波谐振腔2粘有金属微波谐振腔1的一侧1/2处置微带线4，不粘有金属微波谐振腔1的一侧置耦合波导5。

如图5所示，所述的耦合波导5上波导为由S弯曲波导形成的M—Z干涉结构，M—Z干涉结构的另一侧再耦合一个微碟光波谐振腔6作为光程补偿器，在这个微碟光波谐振腔6上方接圆柱形金属衬底3，下方置半环形金属微波谐振腔7以及对应的微带线8，形成推挽式。

本发明基于电光效应对激光器形成的光波进行外部调制，用电光材料制作微碟光波谐振腔作为调制中心，光波通过光学隧道效应耦合进入微碟光波谐振腔，光波进入微碟光波谐振腔后其大部分能量将被限制在侧壁附近传播。加在微碟上靠近周边的金属电极上的微波信号在微碟边缘产生电场，由于材料的电光效应，使微碟侧壁附近的折射率发生变化，从而影响到从微碟中耦合出来的光信号的相位，随着微波信号的频率发生变化，作用在微碟上的电场强度也随之变化，当微波信号刚好满足环形谐振器的谐振条件时，产生的电场将达到最大值，如果此时由电场引起的光波的相位条件刚好也满足回音壁模式的谐振条件，光信号的强度输出将达到最大值，这就是微波和光同时谐振的机理。此时只要微波频率稍有变化，便会对输出光信号的相位发生非常大的影响。

用一个对称M—Z干涉结构，可以将相位调制的光信号转换成强度调制的光信号，便于检测和分析。

由于光的时间相干性的存在，需要在M—Z的参考臂上耦合微碟谐振腔作为光程补偿，或者直接使用双臂调制构成推挽工作方式(如图5所示)。

选择z切铌酸锂作为电光材料来制作微碟，因为铌酸锂具有相对较高的电光系数(r₃₃＝30.8pm/V)，并且在x和y方向具有对称性的电光系数，另外铌酸锂也能比较方便地被制成微碟。

微碟的具体结构如图1所示。微碟的侧面为一连续变化且向外突出的曲面，并且上下对称。为了保证微碟具有很高的Q值，微碟的侧面必须拥有非常低的粗糙度，这是整个器件的关键所在，也是制作上的一个难点。下面给出一个微碟Q值与粗糙度关系的经验公式：

$Q_{\mathrm{surf}}^{-1}\&ap;\frac{16{\mathrm{\&pi;}}^2{\mathrm{\&sigma;}}^2{n}^2{q}^{5/2}}{3{\mathrm{\&lambda;}}^2{l}^{10/3}}\&Proportional;{\mathrm{\&sigma;}}^2$

式中，σ为表面粗糙度系数，l＝πDn/λ，D为碟片直径，n为碟片折射率。可以看出微碟的Q值与侧面粗糙度系数的平方成反比，所以必须保证微碟侧面非常光滑，要求粗糙度Rms值在λ/100以下。

将光信号有效的耦合进微碟中是非常重要的一个环节，耦合方法的优劣将直接影响到整个系统的性能。

耦合的基本原理(光学隧道效应)：光波在介质表面全放射产生消逝场，耦合器和微碟之间的距离控制在消逝波的作用范围之内，利用消逝波的光学隧道效应完成光波的耦合。

光耦合器的选择：实际上能产生消逝波的，都能够作为光耦合器，比如：棱镜，波导，拉椎光纤，刻蚀光纤，侧面磨抛光纤等等。由于采用铌酸锂来作为电光材料来制作微碟，考虑到模式匹配，以及方便将来的器件集成。本发明提出直接把整个M—Z干涉系统通过S形的弯曲波导来实现，从而提高整个器件的集成度(图4所示)。

制作铌酸锂波导可以通过很多方法来实现，比如离子交换，质子交换，扩散，刻蚀等等。

微碟上的电极可以通过光刻后溅射、淀积金属薄膜来实现；金属衬底可以通过粘贴的方法来实现；最后微碟和波导以及微带线之间的距离控制可以通过精密调节架来实现。

输入光的谱线宽度决定了M—Z干涉结构的时间相干性，为了降低器件对输入光的性能要求，在M—Z的参考臂上也耦合一个微碟，做为光程上的一个补偿(如图3所示)。在参考臂上的微碟使用相同的方法坐坐电极和金属衬底，便可以形成一个对称型结构，加互补的电场可以形成推挽型的工作方式。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围之内，对本发明作出任何的修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于微碟结构的微波接收和转换装置，其特征在于：包括半环形金属微波谐振腔(1)，微碟光波谐振腔(2)，圆柱形金属衬底(3)，微波耦合的微带线(4)和光波导组成的M-Z干涉结构的耦合波导(5)；微碟光波谐振腔(2)上面通过溅射或者沉淀的方式附着半环形金属微波谐振腔(1)，微碟光波谐振腔的下面通过金属黏合圆柱形金属衬底(3)，微碟光波谐振腔(2)粘有金属微波谐振腔(1)的一侧1/2处置微带线(4)，不粘有半环形金属微波谐振腔(1)的一侧置耦合波导(5)。

2.根据权利要求1所述的一种基于微碟结构的微波接收和转换装置，其特征在于：所述的耦合波导(5)上波导为由S弯曲波导形成的M-Z干涉结构，M-Z干涉结构的另一侧再耦合一个微碟光波谐振腔(6)作为光程补偿器，在这个微碟光波谐振腔(6)上方接圆柱形金属衬底(3)，下方置另一个半环形金属微波谐振腔(7)以及对应的微带线(8)，形成推挽式结构。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于微碟结构的微波接收和转换装置，其特征在于：所述的微碟光波谐振腔(2)为电光材料，对称的圆球台柱形结构，圆球台柱的侧面光滑度要求达到Rms＜(λ/100)，λ为所用光波的波长，λ＝1550nm，微碟光波谐振腔(2)的高度范围在0.1～1mm。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于微碟结构的微波接收和转换装置，其特征在于：所述的半环形金属微波谐振腔(1)由半环形金属薄膜附着在微碟光波谐振腔(2)上形成，半环形金属薄膜外环紧贴微碟光波谐振腔(2)的边缘，厚度1～10微米，内环外环半径差为100～500微米；微带线(4)与半环形金属微波谐振腔(1)之间的间隙在一个微波波长以内；圆柱形金属衬底(3)通过银浆附着在微碟光波谐振腔(2)底面作为微波电极。

5.根据权利要求1或2所述的一种基于微碟结构的微波接收和转换装置，其特征在于：所述的M-Z干涉结构的耦合波导(5)由铌酸锂平板片子上制作波导形成，M-Z干涉结构两臂之间的距离大于微碟光波谐振腔(2)的厚度，在耦合波导(5)微碟光波谐振腔(2)之间的距离范围在0～2λ，λ为所用光波的波长，λ＝1550nm。

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