CN107846248B - 一种用于微波光子系统的超宽带多通道光电一体化探测器 - Google Patents
一种用于微波光子系统的超宽带多通道光电一体化探测器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于微波光子系统的超宽带多通道光电一体化探测器，包括顺次连接的光探测转换单元、低噪声放大单元以及微波幅度均衡单元。光探测转换单元用于探测与采集光信号，并将其转换为微波信号；低噪声放大单元用于实现微波信号的放大；微波幅度均衡单元用于实现微波信号的均衡。本发明打破了现有单独的光探测、光电转换及模拟射频处理，主要实现了光探测、光电转换及模拟射频一体化，具有光电转换频率带宽、多通道、小型化的特点。
Description
技术领域
本发明属于微波光子技术领域，具体涉及一种用于微波光子系统的超宽带多通道光电一体化探测器的设计。
背景技术
微波光子技术(ROF)是近几十年新兴起来的一门微波和光子专业结合的交叉学科，是一种利用光子学的方法实现微波信号的产生、传输、控制和处理的新型技术，其核心是利用微波和光子技术的优势，从器件层面、模块层面解决目前微波和光子领域解决不了的问题。
阵列化高速光电探测器是微波光子领域的核心部件，是将光信号转换为微波信号的关键性部件，国内单通道的水平已经达到18GHz。目前市场对阵列化高速光电探测器明确的需求为小型化的多通道阵列化InGaAs光电探测器组件，其核心技术为两块：高速阵列光电探测器的封装耦合，阵列化微波匹配电路。现有的阵列化光电探测器都存在耦合工艺及宽带匹配技术较难实现，且SIP封装结构气密性差的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的阵列化光电探测器都存在耦合工艺及宽带匹配技术较难实现，且SIP封装结构气密性差的问题，提出了一种用于微波光子系统的超宽带多通道光电一体化探测器。
本发明的技术方案为：一种用于微波光子系统的超宽带多通道光电一体化探测器，包括顺次连接的光探测转换单元、低噪声放大单元以及微波幅度均衡单元；光探测转换单元的输入端为光电一体化探测器的输入端，微波幅度均衡单元的输出端为光电一体化探测器的输出端；光探测转换单元、低噪声放大单元和微波幅度均衡单元均采用烧结和金丝键合的方式整体固定在铝腔体表面；光探测转换单元用于探测与采集光信号，并将其转换为微波信号，低噪声放大单元用于实现微波信号的放大，微波幅度均衡单元用于实现微波信号的均衡。
本发明的有益效果是：本发明打破了现有单独的光探测、光电转换及模拟射频处理，主要实现了光探测、光电转换及模拟射频一体化，主要包括三个功能单元，即光探测转换单元，用于探测与采集光信号，并将其转换为微波信号；低噪声放大单元，用于实现微波信号的放大；微波幅度均衡单元，用于实现微波信号的均衡。每个单元都能单独进行测试和调试，使得整个探测器通道具有非常良好的可测性与可调性。本发明的三个功能单元均采用烧结和金丝键合，整体固定在铝腔体表面，便于故障定位和维修。本发明采用单面集成的方式，在保证可测试性的前提下最大程度提高集成度，整个探测器尺寸仅为54mm*33mm*7mm，能够实现气密封装。
优选地，光探测转换单元包括顺次连接的输入光纤、APD探测器模块、跨阻放大器模块、限幅放大器模块、时钟和数据恢复电路模块以及数据选择器模块，输入光纤为光探测转换单元的输入端，数据选择器模块的输出端为光探测转换单元的输出端。
上述优选方案的有益效果是：APD探测器模块用于探测与采集光信号，并将采集到的光信号转换为电流信号；跨阻放大器模块用于对APD探测器模块输出的电流信号进行放大，同时滤除其中的干扰信号；限幅放大器模块用于对跨阻放大器模块输出的电流信号进行进一步放大，同时起到信号整形和过压保护作用；时钟和数据恢复电路模块用于根据限幅放大器模块输出的电流数据信号提取时钟信号，并得到电流数据信号和时钟信号的相位关系，形成多路并行数据信号；数据选择器模块用于对时钟和数据恢复电路模块输出的多路数据信号进行并串转换，得到微波信号并输出。
优选地，输入光纤为5路金属化光纤。
上述优选方案的有益效果是：实现了多通道光电转换。
优选地，APD探测器模块的光敏面直径
上述优选方案的有益效果是：本发明中APD探测器模块的光敏面尺寸远小于低速光电探测器光敏面尺寸，便于整个超宽带多通道光电一体化探测器的小型化设计。
优选地，限幅放大器模块可采用自动增益控制放大器模块替换。
上述优选方案的有益效果是：自动增益控制放大器模块利用负反馈的原理，对输出信号的幅值进行采样，得到一个控制电压，进而反向调节放大倍数，同样可以对跨阻放大器模块输出的电流信号进行进一步放大，同时起到信号整形和过压保护作用。
优选地，时钟和数据恢复电路模块的输出端形成16路并行数据信号，数据选择器模块采用16选1数据选择器。
上述优选方案的有益效果是：数据选择器模块的输入路数与时钟和数据恢复电路模块的输出路数相匹配，对时钟和数据恢复电路模块输出的多路数据信号进行并串转换，得到微波信号并输出。
优选地，低噪声放大单元包括顺次连接的输入匹配网络模块、晶体管模块以及输出匹配网络模块；输入匹配网络模块的输入端为低噪声放大单元的输入端，输出匹配网络模块的输出端为低噪声放大单元的输出端；输入匹配网络模块和输出匹配网络模块均采用T形或π形LC匹配电路。
上述优选方案的有益效果是：输入匹配网络模块和输出匹配网络模块采用常规的T形或π形LC匹配电路，用于实现低噪声放大单元的最佳源匹配和共轭匹配，晶体管模块作为低噪声放大单元的核心，实现低噪声放大单元的低噪声、合适的增益及稳定性。
优选地，微波幅度均衡单元包括顺次连接的输入匹配电路模块、枝节谐振器模块以及输出匹配电路模块；输入匹配电路模块包括依次串联的四段传输线l1、l2、l3和l4，l2和l3的连接节点还并联有终端开路的1/4波长传输线l5，l1作为微波幅度均衡单元的输入端；输出匹配电路模块包括依次串联的四段传输线l18、l19、l20和l21，l19和l20的连接节点还并联有终端开路的1/4波长传输线l22，l21作为微波幅度均衡单元的输出端；枝节谐振器模块包括依次串联的传输线l6、传输线l7、电阻R0、传输线l8和传输线l9，l6与l4连接，l9与l18连接；l6上还连接有第一枝节电路和第二枝节电路，l9上还连接有第三枝节电路和第四枝节电路；第一枝节电路包括依次串联的电阻R1、传输线l10以及终端开路的1/4波长传输线l11，R1与l6连接；第二枝节电路包括依次串联的电阻R2、传输线l12以及终端开路的1/4波长传输线l13，R2与l6连接；第三枝节电路包括依次串联的电阻R3、传输线l14以及终端开路的1/4波长传输线l15，R3与l9连接；第四枝节电路包括依次串联的电阻R4、传输线l16以及终端开路的1/4波长传输线l17，R4与l9连接。
上述优选方案的有益效果是：本发明中采用了终端开路的1/4波长传输线取代了集总元件L、C，随着传输线长度的变化，开路短截传输线表现为感性、并联谐振、容性和串联谐振等特性，因此选择适当的谐振频率、Q值以及级联数目，就可以逼近任意需要的均衡响应。
优选地，光电一体化探测器的3dB带宽f3dB满足：
其中fRC表示RC受限带宽，计算公式为：
其中εr为半导体的相对介电常数，ε0为半导体的真空介电常数，L为整个耗尽层厚度，RT为光电一体化探测器的总电阻，A为光电一体化探测器的器件台面面积。
ft表示渡越时间受限带宽，计算公式为：
其中vh为空穴速度，L为整个耗尽层厚度。
上述优选方案的有益效果是：3dB带宽是衡量探测器高频特性的最重要参数，通过合理设置光电一体化探测器的总电阻RT及器件台面面积A，确定合适的3dB带宽，有利于实现其与后续射频电路之间的良好匹配。
附图说明
图1所示为本发明实施例提供的一种用于微波光子系统的超宽带多通道光电一体化探测器结构框图。
图2所示为本发明实施例提供的光探测转换单元结构框图。
图3所示为本发明实施例提供的低噪声放大单元结构框图。
图4所示为本发明实施例提供的T形LC匹配电路示意图。
图5所示为本发明实施例提供的π形LC匹配电路示意图。
图6所示为本发明实施例提供的微波幅度均衡单元结构示意图。
具体实施方式
现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。
本发明实施例提供了一种用于微波光子系统的超宽带多通道光电一体化探测器，如图1所示，包括顺次连接的光探测转换单元、低噪声放大单元以及微波幅度均衡单元。光探测转换单元的输入端为光电一体化探测器的输入端，微波幅度均衡单元的输出端为光电一体化探测器的输出端。光探测转换单元、低噪声放大单元和微波幅度均衡单元均采用烧结和金丝键合的方式整体固定在铝腔体表面，便于故障定位和维修。光探测转换单元用于探测与采集光信号，并将其转换为微波信号，低噪声放大单元用于实现微波信号的放大，微波幅度均衡单元用于实现微波信号的均衡。每个单元都能单独进行测试和调试，使得整个探测器通道具有非常良好的可测性与可调性。
其中，如图2所示，光探测转换单元包括顺次连接的输入光纤、APD(AvalanchePhotodetector)探测器模块、跨阻放大器(Transimpedance Amplifier，TIA)模块、限幅放大器(Limiting Amplifier，LA)模块、时钟和数据恢复电路(Clock and Data Recovery，CDR)模块以及数据选择器(Multiplexer，MUX)模块。输入光纤为光探测转换单元的输入端，数据选择器模块的输出端为光探测转换单元的输出端。
APD探测器模块又称雪崩光电探测器，内部具有光电倍增(或称雪崩)光电二极管，用于探测与采集光信号，并将采集到的光信号转换为电流信号。跨阻放大器模块用于对APD探测器模块输出的电流信号进行放大，同时滤除其中的干扰信号。限幅放大器模块用于对跨阻放大器模块输出的电流信号进行进一步放大，同时起到信号整形和过压保护作用。时钟和数据恢复电路模块用于根据限幅放大器模块输出的电流数据信号提取时钟信号，并得到电流数据信号和时钟信号的相位关系，形成多路并行数据信号。数据选择器模块用于对时钟和数据恢复电路模块输出的多路数据信号进行并串转换，得到微波信号并输出。
本发明实施例中，输入光纤为5路金属化光纤，实现了多通道(五通道)光电转换。
本发明实施例中，APD探测器模块的光敏面直径APD探测器模块的光敏面尺寸远小于低速光电探测器光敏面尺寸/>便于整个超宽带多通道光电一体化探测器的小型化设计。
本发明实施例中，限幅放大器模块可采用自动增益控制放大器(Automatic GainControl Amplifier，AGC)模块替换。自动增益控制放大器模块利用负反馈的原理，对输出信号的幅值进行采样，得到一个控制电压，进而反向调节放大倍数，同样可以对跨阻放大器模块输出的电流信号进行进一步放大，同时起到信号整形和过压保护作用。
本发明实施例中，时钟和数据恢复电路模块的输出端形成16路并行数据信号，数据选择器模块采用16选1数据选择器(采用两片74151数据选择器连接起来构成)。
如图3所示，低噪声放大单元包括顺次连接的输入匹配网络模块、晶体管模块以及输出匹配网络模块。输入匹配网络模块的输入端为低噪声放大单元的输入端，输出匹配网络模块的输出端为低噪声放大单元的输出端。输入匹配网络模块和输出匹配网络模块均采用T形(如图4所示)或π形(如图5所示)LC匹配电路。
输入匹配网络模块和输出匹配网络模块采用常规的T形或π形LC匹配电路，用于实现低噪声放大单元的最佳源匹配和共轭匹配，晶体管模块作为低噪声放大单元的核心，实现低噪声放大单元的低噪声、合适的增益及稳定性。
如图6所示，微波幅度均衡单元包括顺次连接的输入匹配电路模块、枝节谐振器模块以及输出匹配电路模块。输入匹配电路模块包括依次串联的四段传输线l1、l2、l3和l4，l2和l3的连接节点还并联有终端开路的1/4波长传输线l5，l1作为微波幅度均衡单元的输入端。输出匹配电路模块包括依次串联的四段传输线l18、l19、l20和l21，l19和l20的连接节点还并联有终端开路的1/4波长传输线l22，l21作为微波幅度均衡单元的输出端。枝节谐振器模块包括依次串联的传输线l6、传输线l7、电阻R0、传输线l8和传输线l9，l6与l4连接，l9与l18连接。l6上还连接有第一枝节电路和第二枝节电路，l9上还连接有第三枝节电路和第四枝节电路；第一枝节电路包括依次串联的电阻R1、传输线l10以及终端开路的1/4波长传输线l11，R1与l6连接；第二枝节电路包括依次串联的电阻R2、传输线l12以及终端开路的1/4波长传输线l13，R2与l6连接；第三枝节电路包括依次串联的电阻R3、传输线l14以及终端开路的1/4波长传输线l15，R3与l9连接；第四枝节电路包括依次串联的电阻R4、传输线l16以及终端开路的1/4波长传输线l17，R4与l9连接。
本发明实施例中采用终端开路的1/4波长传输线取代了集总元件L、C，随着传输线长度的变化，开路短截传输线表现为感性、并联谐振、容性和串联谐振等特性，因此选择适当的谐振频率、Q值以及级联数目，就可以逼近任意需要的均衡响应。
3dB带宽是衡量探测器高频特性的最重要参数，定义为：当高频光信号入射到探测器中，探测器输出电信号功率衰减到直流响应功率一半时所对应的频率。本发明实施例中，光电一体化探测器的3dB带宽f3dB满足：
其中fRC表示RC受限带宽，计算公式为：
其中εr为半导体的相对介电常数，ε0为半导体的真空介电常数，L为整个耗尽层厚度，RT为光电一体化探测器的总电阻，A为光电一体化探测器的器件台面面积。
ft表示渡越时间受限带宽，计算公式为：
其中vh为空穴速度，L为整个耗尽层厚度。
对于光电一体化探测器而言，更大的A可以获取更大的光敏面方便耦合，但是会限制工作带宽。RT较大可以获取更大的输出电压，可以降低热噪及提高接收灵敏度，但同样会限制工作带宽。对于ROF系统而言，高带宽、高增益、低噪声及大动态都非常重要，需要综合考虑。光电一体化探测器通常工作在反偏状态，大的电压和小的暗电流导致光电一体化探测器的输出阻抗非常大，一般为十几甚至几十千欧，因此需要研究合理的阻抗匹配来降低输出反射，同时尽量保证光电一体化探测器的工作带宽，以获得足够工作宽带的高效输出。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种用于微波光子系统的超宽带多通道光电一体化探测器，其特征在于，包括顺次连接的光探测转换单元、低噪声放大单元以及微波幅度均衡单元；
所述光探测转换单元的输入端为光电一体化探测器的输入端，所述微波幅度均衡单元的输出端为光电一体化探测器的输出端；
所述光探测转换单元、低噪声放大单元和微波幅度均衡单元均采用烧结和金丝键合的方式整体固定在铝腔体表面；
所述光探测转换单元用于探测与采集光信号，并将其转换为微波信号；
所述低噪声放大单元用于实现微波信号的放大；
所述微波幅度均衡单元用于实现微波信号的均衡；
所述光探测转换单元包括顺次连接的输入光纤、APD探测器模块、跨阻放大器模块、限幅放大器模块、时钟和数据恢复电路模块以及数据选择器模块；
所述输入光纤为光探测转换单元的输入端，所述数据选择器模块的输出端为光探测转换单元的输出端；
所述APD探测器模块用于探测与采集光信号，并将采集到的光信号转换为电流信号；
所述跨阻放大器模块用于对APD探测器模块输出的电流信号进行放大，同时滤除其中的干扰信号；
所述限幅放大器模块用于对跨阻放大器模块输出的电流信号进行进一步放大，同时起到信号整形和过压保护作用；
所述时钟和数据恢复电路模块用于根据限幅放大器模块输出的电流数据信号提取时钟信号，并得到电流数据信号和时钟信号的相位关系，形成多路并行数据信号；
所述数据选择器模块用于对时钟和数据恢复电路模块输出的多路数据信号进行并串转换，得到微波信号并输出；
所述低噪声放大单元包括顺次连接的输入匹配网络模块、晶体管模块以及输出匹配网络模块；
所述输入匹配网络模块的输入端为低噪声放大单元的输入端，所述输出匹配网络模块的输出端为低噪声放大单元的输出端；
所述输入匹配网络模块和输出匹配网络模块均采用T形或π形LC匹配电路；
所述微波幅度均衡单元包括顺次连接的输入匹配电路模块、枝节谐振器模块以及输出匹配电路模块；
所述输入匹配电路模块包括依次串联的四段传输线l1、l2、l3和l4，所述l2和l3的连接节点还并联有终端开路的1/4波长传输线l5，所述l1作为微波幅度均衡单元的输入端；
所述输出匹配电路模块包括依次串联的四段传输线l18、l19、l20和l21，所述l19和l20的连接节点还并联有终端开路的1/4波长传输线l22，所述l21作为微波幅度均衡单元的输出端；
所述枝节谐振器模块包括依次串联的传输线l6、传输线l7、电阻R0、传输线l8和传输线l9，所述l6与l4连接，所述l9与l18连接；所述l6上还连接有第一枝节电路和第二枝节电路，所述l9上还连接有第三枝节电路和第四枝节电路；
所述第一枝节电路包括依次串联的电阻R1、传输线l10以及终端开路的1/4波长传输线l11，所述R1与l6连接；所述第二枝节电路包括依次串联的电阻R2、传输线l12以及终端开路的1/4波长传输线l13，所述R2与l6连接；所述第三枝节电路包括依次串联的电阻R3、传输线l14以及终端开路的1/4波长传输线l15，所述R3与l9连接；所述第四枝节电路包括依次串联的电阻R4、传输线l16以及终端开路的1/4波长传输线l17，所述R4与l9连接。
2.根据权利要求1所述的超宽带多通道光电一体化探测器，其特征在于，所述输入光纤为5路金属化光纤。
3.根据权利要求1所述的超宽带多通道光电一体化探测器，其特征在于，所述APD探测器模块的光敏面直径
4.根据权利要求1所述的超宽带多通道光电一体化探测器，其特征在于，所述限幅放大器模块可采用自动增益控制放大器模块替换。
5.根据权利要求1所述的超宽带多通道光电一体化探测器，其特征在于，所述时钟和数据恢复电路模块的输出端形成16路并行数据信号，所述数据选择器模块采用16选1数据选择器。
6.根据权利要求1-5任一所述的超宽带多通道光电一体化探测器，其特征在于，所述光电一体化探测器的3dB带宽f3dB满足：
其中fRC表示RC受限带宽，计算公式为：
其中εr为半导体的相对介电常数，ε0为半导体的真空介电常数，L为整个耗尽层厚度，RT为光电一体化探测器的总电阻，A为光电一体化探测器的器件台面面积；
ft表示渡越时间受限带宽，计算公式为：
其中vh为空穴速度，L为整个耗尽层厚度。
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| DC-10 Mbit/s突发模式非均衡码光接收机;王蓉;王志功;徐建;管志强;;东南大学学报(自然科学版)(06);全文 * |
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