CN110780398A

CN110780398A - 一种直调模拟电光转换集成组件

Info

Publication number: CN110780398A
Application number: CN201911105162.0A
Authority: CN
Inventors: 吕晓萌; 伍艺龙; 廖翱; 景飞; 余昌喜; 潘威; 许玮华; 朱云柯
Original assignee: CETC 2 Research Institute
Current assignee: CETC 2 Research Institute; Southwest China Research Institute Electronic Equipment
Priority date: 2019-11-13
Filing date: 2019-11-13
Publication date: 2020-02-11

Abstract

本发明涉及微波光子及光载射频领域，提供了一种直调模拟电光转换集成组件，包括：微波芯片、高速激光器芯片、微波匹配网络、温度调控单元、耦合透镜、控制电路单元、射频输入端口和光学输出端口，并通过微组装工艺实现混合一体化集成装配在屏蔽壳体中，各个组件之间通过引线键合和透镜耦合等方式分别实现电信号和光信号的互连，从微波匹配网络接收到的射频微波信号加载到光信号上以实现电光转换，从而射频信号调制在光信号上通过光学输出端口进行输出。本发明利用微组装工艺实现了电光转换组件的一体化集成，大大降低了成本、体积和重量，提高集成度、可扩展性和可靠性。

Description

一种直调模拟电光转换集成组件

技术领域

本发明涉及微波光子领域和光载射频领域，特别涉及一种直调的模拟电光转换集成组件。

背景技术

在过去几十年中，射频通信技术飞速发展，然而由于射频信号的频段特性，使得在长距离传输的应用场景中，基于低衰减、抗干扰的射频线缆的直接传输方法成本很高；得益于光纤技术的日益成熟，光载射频通信技术(Radio over Fiber,RoF)得到了广泛的应用，该技术是通过将高速射频模拟信号调制到光信号上的方法，以实现对射频信号的高带宽、低损耗和远距离传输。在光载射频通信系统中，电光转换模块作为光源提供光载波信号，并将射频信号调制到光载波信号上，是系统中非常重要的组成部分；常见电光转换模块的实现方法分为以激光器为核心的直接调制方式或者以激光器和调制器组合的外调调制方式；其中直接调制激光器的由于体积小，工艺简单，成本低，易于集成等优点，得到了广泛关注；然而，随着光载射频通信系统集成度和功能要求在不断提高和演进，我们对电光转换模块也提出了高集成度、功率可控等更多要求，目前，采用的微波组件、光学组件、控制组件分离，并通过射频电缆、光纤互连的方式已经无法达到用户小型化的需求。在中国专利CN109361463A公开了一种多通道ROF系统及实现方法，八路射频信号分别输入至光端机的八个电光转换插盒，其中光发射插盒包含了低噪放、数控衰减器、检波器、激光器和MCU控制及LD驱动电路等；然而由于光电器件如激光器、微波模块以及PCB的加工工艺不同，在实现光电器件与微波器件组装的过程中，依然存在体积大、稳定性差、不易于集成等问题。

发明内容

针对上述存在的问题，提供了一种直调模拟电光转换集成组件，以达到降低重量、体积和提高集成度的目的。

本发明采用的技术方案如下：一种直调模拟电光转换集成组件，其特征在于，包括：微波芯片、高速激光器芯片、微波匹配网络、温度调控单元、耦合透镜、控制电路单元、射频输入端口和光学输出端口，并通过微组装工艺实现混合一体化集成装配在屏蔽壳体中；所述射频输入端口、微波芯片、微波匹配网络和高速激光器芯片依次通过引线方式实现电信号互连；所述高速激光器芯片、耦合透镜和光学输出端口之间依次通过光学空间耦合方式实现光信号后互联；所述控制电路单元分别与温度调控单元、高速激光器芯片、微波芯片单元通过引线方式实现信号互连。

进一步的，所述直调模拟电光转换组件的工作过程为：外部射频信号通过所述射频输入端口输入直调模拟电光转换组件内部，所述微波芯片通过微波匹配网络连接至高速激光器芯片，通过微波匹配网络将射频信号直接加载到高速激光器芯片上，将射频信号转换为光信号；所述高速激光器输出光信号通过耦合透镜将光信号耦合到光学输出端口，实现光信号的输出。

进一步的，所述微组装工艺实现混合一体化集成装配包括：所述高速激光器芯片、微波芯片、微波匹配网络、温度调控单元采用共晶或导电胶粘接方式装配在屏蔽壳体内部；所述控制电路单元采用回流焊装配在屏蔽壳体内部；所述光学透镜采用光敏胶和光学在线耦合对准实现装配在屏蔽壳体内部；所述射频输入端口和光学输出端口采用焊接方式装配在屏蔽壳体表面上。

进一步的，所述微波芯片单元包括微波芯片，所述微波芯片接收控制电路单元的控制信号对射频微波信号进行处理，并由微波匹配网络高效注入到所述高速激光器芯片；所述微波匹配网络由射频网络组成，实现微波芯片与高速激光器芯片的阻抗匹配；所述高速激光器芯片通过高速激光器芯片自身高速光电调制效应特性，通过将射频信号与偏置电压同时加载到高速激光器的p电极，控制输出光功率的波动随注入射频信号波动，达到将射频信号转换为调制的光信号的目的，完成将射频信号调制为光信号。

进一步的，所述微波芯片包括但不限于微波放大器、均衡器、限幅器、检波器。

进一步的，所述微波匹配网络包括但不限于带线、共面波导。

进一步的，所述高速激光器芯片实现将从微波匹配网络接收到的射频微波信号加载到光信号上以实现电光转换的目的；通过利用高速激光器芯片自身高速光电调制效应特性，通过将射频信号与偏置电压同时加载到高速激光器的p电极，控制输出光功率的波动随注入射频信号波动，达到将射频信号转换为调制的光信号的目的，完成将射频信号调制为光信号；

进一步的，所述高速激光器芯片类型包括但不限于DFB、VCSEL、FP高速激光器芯片。

进一步的，所述温度控制单元包括半导体制冷器和热敏电阻，所述半导体制冷器接收控制电路单元的控制信号，实现对激光器单元的温度调控，以保证激光器输出光功率和波长的稳定性；所述半导体制冷器传输反馈信号给热敏电阻，热敏电阻监测激光器单元的温度，并将反馈信号反馈给控制电路单元。

进一步的，所述耦合透镜采用单光学透镜或光学透镜组。

进一步的，所述光学透镜组包括但不限于扩束透镜、聚焦透镜、光隔离器。

与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：利用微组装工艺将微波、光子、数字类芯片，以及光学透镜、微波匹配网络等进行一体化混合集成。与传统射频电光转换模块相比，大大降低了成本、体积和重量，提高集成度、可扩展性和可靠性。在微波光子和光载射频领域具有重要的意义。

附图说明

图1为本发明一种直调模拟电光转换集成组件的原理框图。

图2为本发明一种直调模拟电光转换集成组件的侧视图。

附图标记：1-微波芯片，2-微波匹配网络，3-高速激光器芯片，4-耦合透镜，5-温度调控单元，6-控制电路单元，7-屏蔽壳体，8-射频输入端口，9-光学输出端口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

如图1所示，一种直调模拟电光转换集成组件，包括微波芯片1、微波匹配网络2、高速激光器芯片3、耦合透镜4、温度调控单元5、控制电路单元6、射频输入端口8、光学输出端口9，各个组件通过微组装工艺实现混合一体化集成装配在屏蔽壳体中，各个组件之间通过引线键合和透镜耦合等方式分别实现电信号和光信号的互连。

所述微波芯片通过微波匹配网络与高速激光器芯片连接，微波芯片、微波匹配网络和高速激光器芯片三者之间通过金丝、金带等引线方式实现电信号互连；所述高速激光器芯片单元通过耦合透镜与光学输出端口连接，高速激光器芯片单元、耦合透镜和输出光纤之间，通过光学空间耦合方式实现光信号互连；所述控制电路单元分别与温度调控单元、高速激光器芯片单元、微波芯片单元连接，通过金丝引线方式实现信号互连.

电光转换组件内部信号传输和转换关系为：外部射频信号通过射频输入端口8输入到屏蔽壳体7内部；射频信号通过微波芯片1处理后，在经微波匹配网络2连接至高速激光器芯片3，利用高速激光器芯片3将射频信号转换为调制的光信号；高速激光器芯片3输出的光信号，经耦合透镜4将光信号与光学输出端口9互连，实现光信号对外输出；控制电路单元6分别与温度调控单元5、高速激光器芯片3、微波芯片单元1连接；温度调控单元6用于控制激光器单元工作温度。

内部各个组件的具体集成为：高速激光器芯片3、微波芯片1、微波匹配网络2、温度调控单元5采用共晶或导电胶粘接方式来实现装配在屏蔽壳体内部；控制电路单元6采用回流焊等方式实现装配在屏蔽壳体内部；耦合透镜4采用光敏胶和光学在线耦合对准等方式实现装配在屏蔽壳体内部；射频输入端口和光学输出端口采用焊接方式装配在屏蔽壳体表面上。

微波芯片1根据控制电路单元6的控制命令，对射频输入端口8输入的射频微波信号进行放大、均衡、监测及开关选通，并处理后的射频微波信号通过微波匹配网络2传输给激光器单元3；微波匹配网络2由无源射频网络构成，实现微波芯片单元1与高速激光器芯片3的阻抗匹配。

所述微波芯片包括微波放大器、均衡器、检波器、限幅器、微波开关。

所述微波匹配网络主要由带线、共面波导组成。所述微波匹配网络用于实现将微波芯片的输出阻抗与高速激光器芯片的输入阻抗相匹配的作用，以实现将射频信号高效的注入高速激光器芯片当中，同时降低由于阻抗失配引起的射频信号反射。

高速激光器芯片3用于将从微波匹配网络2输入的微波信号转换为高速调制的光信号，其主要是利用高速激光器光电调制效应特性，通过将射频信号与偏置电压同时加载到高速激光器的p电极，控制驱动电流高速变化来实现光信号的高速变化，已达到将射频信号转换为调制的光信号的目的，完成将射频信号调制为光信号；也可以说是利用注入微波信号来驱动高速激光器偏置电流的大小实现对输出光功率大小的调试以达到将调制的射频信号转化为调制的光信号的目的。

同时，高速激光器芯片3与控制电路单元6连接，以实现对高速激光器芯片3工作状态的稳定控制。

高速激光器芯片3依次连接的耦合透镜4、光学输出端口9，通过耦合透镜4将调制后的光信号空间耦合进光学输出端口9，通过光学输出端口9实现调制后的光信号对外输出。

作为优选，所述高速激光器芯片3可以采用DFB、VCSEL、FP等高速激光器芯片

作为优选，所述耦合透镜4采用单光学透镜或光学透镜组来实现，光学透镜组采用扩束透镜、聚焦透镜、光隔离器等方式。

温度调控单元5包括用于温度控制的半导体制冷器和用于监测温度的热敏电阻，且都与控制电路单元6连接。其中，半导体制冷器接收控制电路单元6的提供的工作电流，实现对高速激光器芯片3的温度调控；热敏电阻5监测高速激光器芯片3的温度，并将温度值转换为电学信号反馈给控制电路单元6。

控制电路单元6包括温度控制、激光器控制、微波链路控制等部分，分别实现组件内部温度控制，激光器输出功率控制，微波芯片部分工作状态控制与检测；

所述直调模拟电光转换集成组件屏蔽壳体为金属化屏蔽壳体7，采用金属化屏蔽壳体将微波芯片、光学芯片、耦合透镜、控制电路单元一体化封装集成，同时多通道集成应用时满足通道隔离度要求，屏蔽壳体7对外接口包含射频输入端口8、光学输出端口9。

作为优选，射频输入端口8采用SMA、SMP和SMPM等接口形式。

作为优选，光学输出端口9采用光纤尾纤输出或陶瓷插针等形式。

如图2所示为本发明的模拟电光转换集成组件的侧视图，其中微波芯片1、微波匹配网络2、高速激光器芯片3、耦合透镜4、温度控制单元5、控制电路单元6装配在屏蔽壳体7内部。射频输入端口8和光学输出端口9装配在屏蔽壳体7表面。本实施中，微波芯片、光学芯片、控制芯片等以及微波匹配网络、光学透镜，采用沾合、安装、键合或沾附等微组装工艺进行组件的装配。微波、控制、数字信号采用金丝、金带实现信号互连，光学信号采用空间光方式实现耦合互连。

本发明中直调模拟电光转换集成组件可用于实现单通道射频电光转换集成组件，也可以进行多个通道并行排列实现多通道射频电光转换集成组件。

本发明直调模拟电光转换集成组件核心是高速激光器芯片，将调制射频信号直接加载到高速激光器芯片上，利用高速调制的射频信号来改变激光器的驱动电流，以实现将射频信号转换为调制光信号的目的，其具有体积小、成本低、功耗低、易于实现的优势。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

Claims

1.一种直调模拟电光转换集成组件，其特征在于，包括：微波芯片、高速激光器芯片、微波匹配网络、温度调控单元、耦合透镜、控制电路单元、射频输入端口和光学输出端口，并通过微组装工艺实现混合一体化集成装配在屏蔽壳体中；所述射频输入端口、微波芯片、微波匹配网络和高速激光器芯片依次通过引线方式实现电信号互连；所述高速激光器芯片、耦合透镜和光学输出端口之间依次通过光学空间耦合方式实现光信号后互联；所述控制电路单元分别与温度调控单元、高速激光器芯片、微波芯片单元通过引线方式实现信号互连。

2.根据权利1所述的直调模拟电光转换集成组件，其特征在于，所述直调模拟电光转换组件的工作过程为：外部射频信号通过所述射频输入端口输入直调模拟电光转换组件内部，所述微波芯片通过微波匹配网络连接至高速激光器芯片，通过微波匹配网络将射频信号直接加载到高速激光器芯片上，将射频信号转换为光信号；所述高速激光器输出光信号通过耦合透镜将光信号耦合到光学输出端口，实现光信号的输出。

3.根据权利1所述的直调模拟电光转换集成组件，其特征在于，所述微组装工艺实现混合一体化集成装配包括：所述高速激光器芯片、微波芯片、微波匹配网络、温度调控单元采用共晶或导电胶粘接方式装配在屏蔽壳体内部；所述控制电路单元采用回流焊装配在屏蔽壳体内部；所述光学透镜采用光敏胶和光学在线耦合对准实现装配在屏蔽壳体内部；所述射频输入端口和光学输出端口采用焊接方式装配在屏蔽壳体表面上。

4.根据权利要求2所述的直调模拟电光转换集成组件，其特征在于，所述微波芯片单元包括微波芯片，所述微波芯片接收控制电路单元的控制信号对射频微波信号进行处理，并由微波匹配网络高效注入到所述高速激光器芯片；所述微波匹配网络由射频网络组成，实现微波芯片与高速激光器芯片的阻抗匹配；所述高速激光器芯片通过高速激光器芯片自身高速光电调制效应特性，通过将射频信号与偏置电压同时加载到高速激光器的p电极，控制输出光功率的波动随注入射频信号波动，达到将射频信号转换为调制的光信号的目的，完成将射频信号调制为光信号。

5.根据权利要求1-4之一所述的直调模拟电光转换集成组件，其特征在于，所述微波芯片包括但不限于微波放大器、均衡器、限幅器、检波器、微波开关。

6.根据权利要求1-4之一所述的模拟电光转换集成组件，其特征在于，所述微波匹配网络包括但不限于带线、共面波导。

7.根据权利要求1-4之一所述的直调模拟电光转换集成组件，其特征在于，所述高速激光器芯片类型包括但不限于DFB、VCSEL、FP高速激光器芯片。

8.根据权利要求4所述的直调模拟电光转换集成组件，其特征在于，所述温度控制单元包括半导体制冷器和热敏电阻，所述半导体制冷器接收控制电路单元的控制信号，实现对激光器单元的温度调控；所述半导体制冷器传输反馈信号给热敏电阻，热敏电阻监测激光器单元的温度，并将反馈信号反馈给控制电路单元。

9.根据权利要求1所述的直调模拟电光转换集成组件，其特征在于，所述耦合透镜采用单光学透镜或光学透镜组。

10.根据权利要求9所述的直调模拟电光转换集成组件，其特征在于，所述光学透镜组包括但不限于扩束透镜、聚焦透镜、光隔离器。