CN112166526B - 用于基于光控制电磁波的传输的方法及其设备 - Google Patents

用于基于光控制电磁波的传输的方法及其设备 Download PDF

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Abstract

一种根据本公开的用于控制电磁波的传输的设备，包括：导线，位于信号层上，并且经由输入端子接收的电磁波通过所述导线行进；通过介电层与信号层电分离并且电接地的接地层；包括第一端和第二端并通过第一端连接到导线的分流通孔；以及连接在分流通孔的第二端和接地层之间并且基于光信号的输入而具有介电状态或导电状态的光电导半导体，其中导线经由分流通孔和处于导电状态中的光电导半导体电连接到接地层，从而引起电磁波从分流通孔的反射。

Description

用于基于光控制电磁波的传输的方法及其设备
技术领域
本公开涉及一种基于光(例如光信号)控制电磁波的传输的方法，并且更具体地，涉及一种能够基于光信号而被接通或断开的开关及其操作方法。
背景技术
用户对高频带中的容易的通信特性的不断需求，已经导致了通信技术的快速研发。近年来，使用毫米波频带的5G通信正在研发。5G通信的特征在于为基于用户体验的高性能度量，包括诸如能效和高速传输速率的因素。
车辆导航和标准5G通信中使用的传感器可能会改变无线通信系统的情形。对于使用毫米波频带的新应用技术，可能要求用于将数据传输能力和检测能力集成到单个无线设备中的新技术。在可用的技术中，实施在印刷电路板(PCB)上的设备扮演重要的角色，并且其特征在于：简单的设计和工艺、有成本效益的在单个介质衬底(substrate)中的嵌入以及适合于宽带实施的基础、与传统印刷电路板技术集成的方便等等。
发明内容
技术问题
需要一种控制电磁波的方法，以将其以简单和容易的方式集成在高频带中。
技术方案
根据本公开的实施例的用于控制电磁波的传输的设备包括位于信号层上的导线(conductor line)，并且经由输入端子接收到的电磁波沿着该导线行进，通过介电(dielectric)层与信号层电分离并电接地的接地层，包括第一端和第二端并通过第一端连接到导线的分流通孔(shunt via)，以及连接在分流通孔的第二端和接地层之间并且基于光信号的输入具有介电状态或导电状态的光电导半导体，其中导线经由分流通孔和处于导电状态的光电导半导体电连接到接地层，从而引起电磁波从分流通孔的反射。
有利效果
这里阐述的实施例提供了一种用于控制电磁波以低成本容易地集成在高频带中的方法和设备。
附图说明
通过以下结合附图的详细描述，本公开将容易理解，并且参考标号表示结构元件。
图1是用于说明根据实施例的微带开关的视图。
图2A是根据实施例的光开关(opto-switch)的侧视图。
图2B是根据实施例的光开关的平面视图。
图2C是根据实施例的光开关的仰视图。
图3是用于说明根据实施例的光开关的工作原理的视图。
图4A是示出根据实施例的处于“断开”状态的开关的等效电路及其传输比的图。
图4B是示出根据实施例的处于“接通”状态的开关的等效电路及其传输比的图。
图5A是示出根据实施例的处于“断开”状态的开关的模拟结果的图。
图5B是示出根据实施例的处于“接通”状态的开关的模拟结果的图。
图6是示出根据实施例的传输速率对模拟开关的频率的依赖的图。
图7是根据实施例的光电导半导体元件的光供应的视图。
图8是用于说明根据实施例的根据光开关元件的大小所要求的光功率的图。
图9是用于说明根据实施例的在开关的接通/断开状态下的钝化(passivation)效果的图。
图10是用于描述根据实施例的光源的脉冲模式的图。
图11A是根据实施例的匹配元件的视图。
图11B是示出根据另一实施例的匹配元件的图。
图11C是示出根据另一实施例的匹配元件的图。
图11D是示出根据另一实施例的匹配元件的图。
图12是根据实施例的具有两个匹配元件的光开关的等效电路的视图。
图13A是根据实施例的辅助匹配元件的视图。
图13B是示出根据另一实施例的辅助匹配元件的图。
图14是示出根据实施例的基于光开关的移相器的图。
图15是示出根据另一实施例的基于光开关的移相器的图。
图16是用于说明根据实施例的反射负载的工作原理的图。
图17是示出根据实施例的基于光开关的天线的图。
图18是示出根据另一实施例的基于光开关的天线的图。
图19是示出根据另一实施例的基于光开关的天线的图。
图20A是示出根据实施例的基于光开关的单极多掷开关的图。
图20B是示出根据另一实施例的基于光开关的单极多掷开关的图。
图21A是示出根据实施例的基于光开关的多掷二进制开关的图。
图21B是示出根据另一实施例的基于光开关的多掷二进制开关的图。
图22是根据实施例的用于控制电磁波的传输的设备(例如，光开关)的框图。
图23是根据另一实施例的用于控制电磁波的传输的设备(例如，光开关)的框图。
图24是根据实施例的控制电磁波的传输的方法的流程图。
具体实施方式
根据本公开的实施例的用于控制电磁波的传输的设备包括：位于信号层上的导线，并且经由输入端子接收到的电磁波沿着该导线行进，通过介电层与信号层电分离并电接地的接地层，包括第一端和第二端并通过第一端连接到导线的分流通孔，以及连接在分流通孔的第二端和接地层之间并且基于光信号的输入具有介电状态或导电状态的光电导半导体，其中导线经由分流通孔和处于导电状态的光电导半导体电连接到接地层，从而引起电磁波从分流通孔的反射。
实施方式
在下文中，将参考附图详细描述根据本公开的实施例。此外，将参考附图详细描述根据本公开的实施例的配置和使用电子设备的方法。每个附图中相同的参考标号或符号表示执行基本相同功能的部分或组件。
术语，包括序号，诸如第一和第二，可用于描述各种组件，但这些组件不受这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个组件和另一个组件。例如，在不脱离本公开的范围的情况下，第一组件可以被指代为第二组件，并且类似地，第二组件也可以被指代为第一组件。术语“和/或”包括这里所述的多个相关项的组合或多个相关项中的任何一个。
这里描述的术语仅用于描述实施例，并不意图于限制本公开。如这里所使用的，除非上下文另有明确指示，单数表达也意图于包括复数形式。应当理解，术语“包括”和/或“包含”在这里使用时，指明了所述特征、整数、步骤、操作、元件、组件或其组合的存在，但不排除一个或多个特征、整数、步骤、操作、元件、组件，或者其组合的存在或添加。
图1是示出微带射频(RF)开关以及其中电流分布的图。
PIN二极管、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或微机电系统(MEMS)通常可用作高频电路的开关组件。在这种情况下，PIN二极管可能要求复杂的偏置电路(从正电流源切换到负电压源)，MOSFET在低沟道电阻状态下可以具有高寄生电容，并且MEMS可能具有有限数量的开关循环(switching cycle)次数和高控制电压。
因此，一般来说，用于发送和接收高频信号的设备(开关、移相器、天线等等)的开关技术非常高度复杂，并且因此可能要求传统毫米波频带产品(>10GHz)(例如，开关)的成本。在用于高频信号的开关技术的情况下，RF损耗可能由于用于射频信道的偏置和电源电路的交叉而增加，或者可能要求复杂的偏置和复杂的供电电路。因此，可能要求用于包括大组件(bulky component)的大印刷电路板的空间，并且因此可能难以将印刷电路板集成到小的设备中。
例如，在基于US 3,678,414的示例中，建议微带二极管高隔离开关。在上面建议的示例中，可以被具体实现为电阻器的基于PIN二极管的微带开关被包括在可以在两个状态之间切换的宽带谐振电路中。当PIN二极管处于导电状态时，电阻器可以以闭合电路的形式出现。然而，当使用这种方法时，在偏置和PIN二极管的供电电路之间的波导中可能会发生RF耦合，并且过程是繁琐而复杂的。
在基于US 6580337B1的另一个示例中，已经建议了具有多个MEMS触点(contact)的微带单极双掷开关。在上面建议的示例中，一对第一触点被紧紧靠近输入线和输出线的接合点(junction)放置以优化带宽性能。此外，不靠近接合点的MEMS触点沿输出线隔开以优化在“断开”状态下的绝缘和吞吐量，并最小化在“接通”状态下的插入损耗。上述解决方案的缺点在于偏置和供电电路复杂并且高频操作需要昂贵和复杂的过程。
在另一实施例中，基于Y.Tawk等人，“光泵频率可重配置天线设计”(IEEE天线和无线传播信函，第9卷，2010年)和E.K.Kowalczuk，“模拟、制造和特征化用于RF应用的光电导微波开关”(博士论文)已经建议了基于光电导开关元件的串联连接到微带线(即，在微带间隙中)的微带RF开关。参考图1，在微带RF开关中，由于边缘效应和处于边缘的载流子的表面复合(surface recombination)，电流可以集中在具有低电导率的半导体的边缘附近。相反，在具有较少表面复合的微带的中心处观察到最小电流密度。结果，当电流通过开关的低导电率部分时可能发生高损耗，并且因此可能要求高光功率以将开关设置为“接通”状态。此外，由于寄生电容，这种类型的开关可能具有低水平的阻塞。
因此，在高频信号收发设备具有非常高的驱动频率(例如，100GHz或更高)的情况下，可能要求这样的技术，其用于实现低损耗率、低控制功率、紧凑大小、简单偏置和用于避免寄生效应的供电电路、基于PCB技术的容易集成的可能性以及低成本。如上面所描述的，根据上述示例，难以满足所有这些条件。
根据本公开的实施例的用于控制电磁波的传输的设备(例如，光开关)可以包括印刷电路板，印刷电路板包括信号层、接地层以及信号层和接地层之间的介电层。在一个实施例中，信号层可以包括微带(microstrip)导体(conductor)和匹配元件。该光开关可以位于印刷电路板的信号层和接地层之间的介电层上，并且包括由于介电间隙而与印刷电路板的接地层分离的分流金属化通孔，即分流通孔。在一个实施例中，分流通孔可以电连接到微带导体和匹配元件。该光开关还可以包括位于印刷电路板的接地层上并且电连接到印刷电路板的分流通孔和信号层的光电导半导体元件(PSE)。光电导半导体元件可具有至少两种状态，例如，由于不存在控制光通量(luminance flux)的低本征电导率的介电状态(“断开”状态)和由于存在控制光通量而具有相对高电导率的导电状态(“接通”状态)。上述控制光通量可以被配置成补偿发生在分流通孔的接触焊盘(contact pad)和地之间的间隙中的寄生电容，并且可以在开关的工作带宽中具有感应特性。
在一个实施例中，分流通孔可以与微带导体和匹配元件直接接触。
在一个实施例中，光开关还可以包括电连接到分流通孔的辅助匹配元件，其被配置为补偿分流通孔的电抗，并且在开关的工作频率带宽中具有电容特性。
在一个实施例中，辅助匹配元件可以是导电焊盘的形式，该导电焊盘被放置为通过印刷电路板的信号层外部的附加介电层隔开，并且分流通孔可以不与信号层接触。
在一个实施例中，分流通孔可以是裂口(break)的形式，并且辅助匹配元件可以具体实现为嵌入在分流通孔中的电容器，并且以裂口中的平面的形式提供以平行于信号层和接地层。在一个实施例中，一个平面可以在裂口的一端与分流通孔接触，并且另一个平面可以在裂口的另一端与分流通孔接触。
在一个实施例中，印刷电路板可以具有多层结构。
在一个实施例中，光开关还可以包括连接到光电导元件(包括光电导半导体元件)的光源，以向光电导元件提供光。
在一个实施例中，光源可以是发光二极管(LED)或激光二极管。
在一个实施例中，光开关还可以包括连接到光源以控制光源的状态的控制电路。
在一个实施例中，光开关可以以脉冲模式控制光源。在脉冲模式下，控制电路可生成具有足以将开关设置为“接通”状态的持续时间的第一脉冲，并生成具有短于光电导元件的材料的载流子寿命的持续时间且足以在将开关维持在“接通”状态中的同时完全恢复到“接通”状态的后续脉冲。
在一个实施例中，光开关还可以包括：介电透明隔片(spacer)，其位于光电导元件与将要连接到光电导元件的光源和光源之间，以及位于该介电透明隔片内的反馈导体，其一端连接到光源的第二触点输出，并且其另一端连接到控制电路的第二反馈输出。在这种情况下，光源的第一触点输出可以连接到控制电路的第一反馈输出。
在一个实施例中，光电导元件可以覆盖分流通孔和介电间隙二者。
在一个实施例中，光电导元件可被钝化。
在一个实施例中，匹配元件可以以从到微带导体的连接点的微带分支的形式提供。
在一个实施例中，匹配元件可以以三角形提供，该三角形在到微带导体的连接点处有顶点。
在一个实施例中，光开关还可以包括在印刷电路板的信号层和接地层之间的介电层中的短通孔。短通孔可以连接到匹配元件的远端(distal end)和印刷电路板的接地层。
在一个实施例中，开关可以用作微带移相器、天线或单极多掷开关中的开关元件。
在一个实施例中，微带移相器可以包括定向耦合器(directional coupler)，其包括输入端口、输出端口和两个分支，以及两个可控反射负载元件，这两个可控反射负载元件中的每一个包括连接到定向耦合器的相应分支的一端和连接到电连接到地的金属化通孔的另一端。在这种情况下，根据实施例的光开关可以用作可控反射负载元件的至少一部分。在一个实施例中，当开关是“接通”时，波可以从分流通孔反射，并且当开关是“断开”时，波可以从端通孔(end via)反射。在一个实施例中，在光开关中，可以通过微带导体的长度和到光电导元件的连接点来确定相移。
在一个实施例中，微带移相器可以包括传输线的四分之一波长部分，其一端连接到移相器的输入和第一分支，其另一端连接到移相器的输出和第二分支。在这种情况下，第一分支和第二分支的线串联连接到传输线。微带移相器还可以包括根据实施例的光开关和传输线的附加段。在这种情况下，光开关的输出可以通过附加段连接到电连接到地的远端金属化通孔。当开关“接通”时，波可以从分流通孔反射，并且在开关“断开”时，波可以从端通孔反射。在一个实施例中，要求的相移可以通过分支的线的所有元件的长度和到光电导元件的连接点来确定。
在一个实施例中，微带天线可以包括至少一个辐射元件，其两臂连接到天线的输入。在一个实施例中，根据实施例的光开关可以位于辐射元件的每一个臂上，与天线的输入间隔1/4波长，并且可以当辐射元件的极性被控制时在每个时间点具有不同的接通/断开状态。
在一个实施例中，辐射元件可以是偶极子(dipole)，并且在这种情况下，天线可以以末端发射(end-fire)方向提供辐射。
在一个实施例中，辐射元件可以是微带贴片(patch)天线，即微带腔(cavity)天线。在这种情况下，天线可以以宽带方向提供辐射。
在一个实施例中，微带天线可以包括两个辐射元件，其中一个可以是偶极子并且另一个可以是贴片，并且以末端发射方向和宽带方向二者提供辐射。
在一个实施例中，可以使用多层印刷电路板来提供微带天线，并且在这种情况下，两个辐射元件可以堆叠在印刷电路板的不同导电层上。
在一个实施例中，单极多掷(SPnT)开关可包括与输入端口的交叉点(intersection)间隔1/4波长的多个光开关、多个输出端口以及将输入端口连接到多个输出端口的微带，并且位于输入端口和期望的输出端口之间的路径中的开关可以是“接通”的并且其它的开关可以是“断开”的，以将输入端口连接到期望的输出端口。
在一个实施例中，微带SPnT开关可以包括具有多个功率分配器(power divider)以及多个光开关的多路(multiway)功率分配器，每个功率分配器具有一个输入和两个输出。在这种情况下，多个光开关可以位于功率分配器的臂内，以与交叉点间隔1/4波长。在所述的SPnT开关中，为了将输入端口连接到多路功率分配器的期望的输出端口，位于多路功率分配器的输入端口和期望的输出端口之间的路径中的开关可以是“断开”并且其它的开关可以是“接通”。
本公开可以提供一种简单且廉价的光开关，其表现出超过根据现有技术的解决方案的改善的性能，并且被配置为在毫米波范围内工作。
图2A到2C是示出根据实施例的用于基于光信号(在下文中指代为光开关)控制电磁波的传输的设备的图。具体地说，图2A是根据实施例的光开关的侧视图，图2B是光开关的平面图(俯视图)，并且图2C是光开关的仰视图。
参考图2A到2C，开关1可以包括印刷电路板2，并且印刷电路板2可以包括信号导电层3、接地导电层4以及信号导电层3和接地导电层4之间的介电层5。在一个实施例中，信号导电层3可以包括彼此连接的微带导体6和匹配元件7。微带导体6可以用作电磁波行进通过的路径。
为了更好地理解，图2A示出匹配元件7被超过板放置，但是对于本领域的普通技术人员来说明显的是，实际上，匹配元件7可以放置在印刷电路板2的信号导电层3上。
微带导体6的端可以是开关的输入端口和输出端口。在微带导体6和匹配元件7之间的接口处，可以在印刷电路板2上提供分流通孔8，例如，分流金属化通孔。分流通孔8与微带导体6和匹配元件7直接电接触，但通过介电间隙9与印刷电路板2的接地导电层4分离，因此可以不与接地导电层4直接接触。
在一个实施例中，开关的主要功能之一可由印刷电路板2的接地导电层4上的PSE10执行。PSE 10可以连接到分流通孔8和接地导电层4。PSE 10可以具有至少两种状态。PSE10的第一状态可以是“断开”状态，该状态是由于不存在控制光通量而具有低本征电导率的介电状态。PSE 10的第二状态可以是“接通”状态，该状态是由于存在控制光通量而具有相对高电导率的导电状态。
此外，参考图2A，控制电路11和光源12，例如发光二极管(LED)，可以包括在印刷电路板2中。可以从由控制电路11使用功率处理(power handling)接通或断开的LED向PSE 10施加光。
图3是用于说明根据实施例的光开关的工作原理的图。
参考图3，当没有光供应到PSE 10时，PSE 10处于作为介电状态的“断开”状态。通过输入端口RF端口1进入开关1的电磁波可以进入输出端口RF端口2，其不会从PSE 10和分流通孔8很大程度地反射而实际上没有损耗。
当光被施加于PSE 10时，PSE 10处于作为导电状态的“接通”状态，因此，信号导电层3可以被短路(short)到接地导电层4。因此，通过输入端口RF端口1进入开关1的电磁波可以从PSE 10和分流通孔8反射并且因此不会到达输出端口RF端口2。
降低开关的性能并在“断开”状态下造成损耗的寄生电容可以发生上述分流通孔8(具体地，连接分流通孔8和PSE 10的接触焊盘的部分)和地之间(具体地，连接接地导电层4和PSE 10的接触焊盘的部分之间)的介电间隙。在一个实施例中，匹配元件7可以被配置成补偿寄生电容。因此，匹配元件7可能必须在开关1的驱动频带中具有感应特性(inductiveproperty)。匹配元件7可形成具有与寄生电容、分流通孔8的电感和PSE 10的导电率的部分连接的并联谐振电路，并且在这种情况下，可以在谐振区域中具有高电阻。将参考下面的图4A和4B描述根据实施例的处于“断开”状态或“接通”状态的开关的等效电路和传输速率。
图4A是示出根据实施例处于“断开”状态的开关的等效电路及其传输比(transmission ratio)的图。图4B是示出根据实施例的处于“接通”状态的开关的等效电路及其传输比的图。
参考图4A和4B，匹配元件的电感可以由下面的方程式1表示。
[方程式1]
Figure BDA0002790280000000101
在方程式1中，ωres表示谐振频率，Lm表示匹配元件电感，Lvia表示分流通孔的电感，并且C表示寄生电容。
参考图4A，在光不施加于PSE的“断开”状态下，分流通孔可以等效于电感元件L，并且在作为半导体的PSE、介电间隙和分流通孔之间的接触区域可以等效于电容元件C。参考图4A的图，在非谐振的示例中(当没有匹配元件时)，在“断开”状态下，由于在由于寄生电容的线路的不连续点处的波形的反射而发生损耗，因此，传输速率可能减小。相反，在谐振的示例中(当存在匹配元件时)，谐振区域中发生具有高电阻值的振荡电路，并且电磁波可以以小的损耗通过结构，并且因此可以显著地改进传输速率。
参考图4B，在光被施加于PSE的“接通”状态下，分流通孔可以等效于电感元件L，而作为半导体的PSE可以等效于电阻元件。在这种情况下，电感可以部分地分流并联连接到PSE的低电阻的线路。也就是说，参考图4B的图，在“接通”状态下，当添加匹配元件时(即，在谐振的示例中)，开关的锁定特性(locking characteristics)几乎不会改变。
因此，PSE和分流通孔可以与印刷电路板的上面放置微带导体和匹配元件的区域一起作为基于光电导效应工作的光开关起作用。开关的供电/偏置电路可以与RF路径隔离。开关的特性可以通过改变供应的光的功率来控制。这样的开关即使在高频下也可以具有低损耗率，并且可以不被外部组件显著影响。此外，这样的开关在印刷电路板(包括多层板)上的任何期望的位置上是容易安装的。通过最小化组件的数量，可以减少成本和复杂性，并且可以提供集成到紧凑设备中的可能性。此外，根据本公开的光开关具有相对宽的驱动频率，例如在一个实施例中为10％到20％。
将参考下面的图5A和5B描述根据本公开的实施例的开关的操作的模拟。具体地，图5A是示出根据实施例的处于“断开”状态的开关的模拟结果的图。图5B是示出根据实施例的处于“接通”状态的开关的模拟结果的图。
参考图5A，在“断开”状态下，从输入端口端口1行进到输出端口端口2的波的幅度减小到仅仅很小的水平。也就是说，对于输出端口端口2的传输速率可以高于-1dB，并且对于输入端口端口1的反射率可以低于-20dB。
参考图5B，在“接通”状态下，从输入端口端口1行进到输出端口端口2的波几乎完全被光开关反射。也就是说，对于输出端口2的传输速率可以低于-20dB。传输的和反射的波可以在输入端口端口1和开关之间形成驻波(standing wave)，并且最大电流点可以出现在开关附近。在这种情况下，对于输入端口端口1的反射率可以高于-1dB。
图6是示出根据实施例的传输速率对模拟开关的频率的依赖的图。更具体地，图6是示出从输入端口端口1到输出端口端口2的传输速率对频率的依赖的图。
参考图6，根据本公开的实施例，即使在弱光(low light)条件下可以出现正特性。例如，当PSE的导电率已经为200S/m时，可以确保足够的小于-20dB的传输速率。因此，由于PSE要求的导电率的水平可能显著降低，即使当所供应的光强度低时，可以足够将开关锁定到指定的水平。因此，根据本公开的开关即使在弱光条件下也能够提供高灵敏度和低功耗。
图7是根据实施例的PSE的光供应的视图。在一个实施例中，LED可用作光源，因为LED的光功率足以提供根据本公开的实施例的光开关的期望的工作模式。商业上已经可用的LED都可以在其两侧包括两个触点。因此，为了供电，可以在控制电路11的第一供应端直接提供触点，并且可以额外地要求反馈导体13。为了防止反馈导体13电连接到PSE 10(即，用于功率隔离)，可以在LED 12和PSE(10)之间提供介电透明隔片14。介电透明隔片14可以用作光导，以提供从光源12到PSE 10的要求的距离。金属焊盘15(例如，铜焊盘)可以是PSE10的触点，用于形成到印刷电路板的接地层和分流通孔的连接。
当考虑目标布局中PSE 10中的体电流(volume current)分布时，具有上面描述的结构的光开关可以具有非常小的体积。因此，具有上面描述的结构的光开关可以容易地集成到非常小的设备中，降低复杂性，并优化功耗。上面描述的光供应方法仅仅是一个示例，并且对于本领域的普通技术人员来说明显的是，根据另一实施例的光纤或光传输可应用于PSE的光供应。
图8是用于说明根据实施例的根据光开关元件的大小所要求的光功率的图。要求的光输出的强度可以被光源和PSE的大小之间的比率影响。在本实施例的开关的模拟中，PSE的最优半径为1.4mm(即，其直径为2.8mm)，并且要求大约3.8mW的小的光功率量。当PSE的大小减小时，要求的光功率量逐渐增加，但是即使PSE的大小增加，要求的光功率量也不会显著减小。这种效果不限于模拟的一示例，而是以相同或类似的方式可应用于其它示例。
如图8所示，在LED大小相同且PSE大小彼此不同的情况下，可以要求不同的光功率量来确保PSE的导电状态。当考虑PSE中的电流空间分布时，光斑(light spot)的大小和被提供了一定水平的导电率的区域的大小不会被改变。因此，通过优化LED和PSE的纵向尺寸之间的比率，光供应要求的光功率量可以减少两倍或更多。
这个效果不仅可以通过电子在光的动作下通过导电区域扩散到PSE来实现，还可以通过减少被与由于工艺中的机械切割导致的对半导体结构的损坏有关的效应影响的区域的影响来实现。因此，该区域中的电子具有短的有用的寿命，并且要求大的光功率量以使所有半导体材料进入导电状态。同时，在少数载流子的复合过程中，可以改进晶圆(wafer)表面的质量，并且可以大大减小晶圆表面的影响。因此，当设备的大小与光源的大小相当时，应供应更大的光功率量以补偿边缘的影响，并确保在期望的区域内的一定水平的导电率。然而，随着设备大小的增加，由于传导电荷的扩散，边缘对在相同光源下在更宽区域内获得期望水平的导电率的影响可能减弱。
相同的效果可用于获得具有一定水平的导电率的相同区域，增大半导体器件的大小，并减少具有固定大小的光源中的光功率消耗。
因此，根据实施例，电流可以集中在PSE的中心部分，该部分是具有最高导电率的区域。因此，可以减轻对PSE设计的需求和对要传输的光功率的需求。
当考虑电子扩散和边缘效应时，计算半导体器件中光电导电子n浓度的方法可以用下面的方程式2到4来表示。
[方程式2]
Figure BDA0002790280000000121
[方程式3]
Figure BDA0002790280000000122
[方程式4]
S2＝Dτ
方程式2可以是亥姆霍兹(Helmholtz)方程式，并且方程式3可以表示方位对称性。这里，s可以表示扩散的长度，D可以表示扩散常数，τ代表半导体电子的寿命，以及Φ可以表示光函数(lighting function)。在载流子的密度分布在厚度方向(即z轴方向)上是相同的假设下，可以从上面的方程式得到如方程式5中所示的边界条件。
[方程式5]
Figure BDA0002790280000000131
键的接通/断开时间也可以通过控制PSE的尺寸和具有一定水平的电导率的区域中的载流子的寿命来控制。在PSE的体积内的载流子寿命的增加可以被理解为意味着根据整个PSE的厚度上的导电率(或复合)的水平增加了载流子的转变(transition)，也就是说，需要更长的时间直到设备最终接通或断开。相反，具有拥有短寿命的载流子的PSE可以在足够的光功率量下快速切换到接通/断开状态。因此，通过将器件的边缘移离或靠近应确保一定水平的导电率的区域，由于复合边缘效应，大部分载流子(bulk carrier)的寿命可能会增加或减少，并且因此，开关的总的接通/断开时间可以增加或减少。因此，可以通过根据设备的用途选择PSE和光源的几何参数来优化光功率消耗和开关的接通/断开时间。
另一方面，当该方法应用于尺寸受限的设备(例如便携式设备)时，即使设备的内部组件中的几毫米的变化可以是重要的，并且当该方法应用于尺寸不受限制的设备(例如基站)时，设备内部组件的尺寸中的几毫米的变化可以是不重要的。因此，为了确定PSE和光源的尺寸，可以考虑设备的所有尺寸、开关的光功率消耗、开关的接通/断开时间以及基于要求的导电率水平的PSE的选择。
可以选择各种半导体材料，例如硅或镓铟砷化物作为PSE的材料。光开关的开关时间可由材料的电子寿命τ确定(ton，toff～τ)。材料的电子寿命τ可以由于材料的钝化(即表面处理)而减少。载流子寿命与光功率的量成反比(Popt～1/τ)。因此，可以要求增加光功率的量和能耗以减少切换时间。
图9是用于说明根据实施例的开关的接通/断开状态下的钝化效果的图。在图9中，基于所供应功率的10％和90％来识别接通/断开时间。表1示出了光开关的材料中的钝化效应。
[表1]
光开关材料 t<sub>on</sub>,max T<sub>off</sub>,max
钝化硅 9.6 20.1
非钝化硅 3.1 10.6
在上述实施例中，“接通”时间ton和“断开”时间toff可在以下条件下减少：
——光电导材料的优化(取决于载流子寿命)
——硅的改性(纯度优化和掺杂)
——当使用另一种材料(例如镓铟砷化物)时
——开关结构的优化
——间隙控制
——当考虑光电导材料中的体电流分布和电磁边缘效应时
在一个实施例中，为了将光施加于PSE，可以使用光供应的各种模式，包括连续模式或脉冲模式。在这种情况下，例如，可以使用LED或激光二极管作为光源。
图10是描述根据实施例的光源的脉冲模式的图。
在光供应的脉冲模式中，与连续模式中的情况相比，消耗更少的光功率，并且因此可以节省能量。在这种情况下，第一脉冲的持续时间应足以将开关设置为“接通”状态，开关“接通”的同时的脉冲周期应短于PSE的材料的载流子寿命，以便在光源断开的同时，载流子浓度不会迅速减少，并且脉冲的持续时间应该足以恢复到“接通”状态。
在一个实施例中，PSE、光源、光开关的分流通孔和印刷电路板的大小、形状和位置可以不同地设置。这些参数根据印刷电路板的结构、用于有效开关的电流流动区域、要安装的元件的容易布置、绝缘条件等等是可变的。光源可以超过半导体器件的中心布置或者移动到半导体器件的边缘。在所有这些实施例中，PSE可以完全重叠分流通孔，并且因此可以与印刷电路板的信号层接触。
此外，还可以根据应用的要求确定和不同地设置光开关的匹配元件的大小、形状和位置。图11A到11D是用于描述匹配元件的示例的图。
图11A是根据实施例的匹配元件的视图。参考图11A，当设备的大小被限制时，匹配元件7的长度可以是L<λ/4，并且短路通孔16可以位于匹配元件7的远端。
图11B是示出根据另一实施例的匹配元件的图。参考图11B，当匹配元件7的大小不受限制且工作带宽相对较窄时，可以在印刷电路板上提供匹配元件7，使得其在从微带导体6和分流通孔之间的连接点的微带分支上的长度为L>λ/4。
图11C是示出根据另一实施例的匹配元件的图。参考图11C，当设备的大小被限制时，匹配元件7的长度可以是L<λ/4，并且短路通孔16可以位于匹配元件7的远端。在一个实施例中，当要求宽带工作时，匹配元件7可以具有三角形，其顶点位于微带导体6和分流通孔之间的连接点处。
图11D是示出根据另一实施例的匹配元件的图。在一个实施例中，当要求宽带工作时，匹配元件7可以具有三角形，其顶点位于微带导体6和分流通孔之间的连接点处。
图12是根据实施例的具有两个匹配元件的光开关的等效电路的视图。为了处于“接通”状态的开关的锁定特性的改进，根据实施例的开关具有电容特性并且因此可以额外地包括辅助匹配元件以补偿分流通孔的电抗Lvia。参考图12，通过匹配元件Lm和辅助匹配元件Cm可以改进信号阻塞。
图13A是根据实施例的辅助匹配元件的视图。参考图13A，根据实施例的辅助匹配元件可以具体实现为位于印刷电路板2的信号层3外部并且通过附加介电层18与信号层3分离的附加电容板17。因此，附加电容板17和信号层3之间可以形成附加电容Cm。在这种情况下，分流通孔8可以与附加电容板17而不是信号层3接触。
图13B是示出根据另一实施例的辅助匹配元件的图。参考图13B，根据实施例的辅助匹配元件可以是以嵌入在印刷电路板2中的分流通孔8中的电容器的形式。也就是说，根据实施例的分流通孔8可以被提供为裂口，并且电容Cm的板19可以被提供为裂口中的平面，该平面平行于信号层3和接地层4。在一个实施例中，板19中的一个可以在裂口的一端与分流通孔8接触，并且另一个板19可以在裂口的另一端与分流通孔8接触。电介质(dielectric)18可以位于板19之间。根据上述实施例的辅助匹配元件可以容易地安装，并且可以更容易地实施在多层印刷电路板中，其中电容器板可以形成在中间导电层中。
基于上面描述的光开关可以构建各种类型的设备。下面将会作为示例描述移相器和天线。
图14和15示出了根据实施例的移相器的示例，在移相器中光开关被用作可控反射负载(RL)的一部分。图16是用于说明如上面描述的移相器中的反射负载的工作原理的图。根据实施例的移相器可应用于要求用于控制天线阵列或相位控制的控制元件的各种应用中。
图14是示出根据实施例的基于光开关的移相器的图。图14示出了基于定向耦合器(例如，3-dB混合耦合器/电桥、2分支耦合器、3-dB鼠圈式(rat-race)分配器、Lange耦合器/电桥等)的离散移相器。在图14中，开关可以是“断开”的，并且波可以从将开关的输出端口(即，微带导体的一端)连接到印刷电路板的接地层的端通孔反射。当开关处于“接通”状态时，波可以从分流通孔反射。当在移相器中使用这种RL时，可以将相位变化设置为0°到360°的范围内，并且可以在沿着微带放置的电桥和PSE之间的连接点处选择期望的长度的微带臂。在这种情况下，为了计算延迟时间，可能必须对端通孔和PSE之间的长度上的差应用2的放大倍数(magnification)。在图14中，可以通过开关来改变微带的电长度和反射信号的相位。3-dB混合耦合器可将反射信号的相位转换为传输信号的相位，并且因此，可以提供小的且廉价的移相器。
图15是示出根据另一实施例的基于光开关的移相器的图。类似于图14的实施例的原理的原理可以应用于图15的实施例。参考图15，当根据实施例的开关接通时，波可以直接从分流通孔反射。当开关断开时，波可以从端通孔反射。在图15的实施例中，传输线的1/4波长部分的一端可以连接到移相器的输入并且其另一端可以连接到移相器的输出和第二分支。每个分支可以包括以串联连接的具有传输线TL的附加的传输线段、PSE和复阻抗z。在这种情况下，复阻抗z可以是具有在开关的平面上的端通孔的传输线段的阻抗。要求的相变的程度可以由每个分支中的所有线元件的长度和光电导元件之间的连接点来确定。在如上所述根据实施例的使用负载的移相器中，相变可以在0°到45°的范围内。
图16是用于说明根据实施例的反射负载的工作原理的图。参考图16，在图14和15的实施例中，作为可控反射负载的一部分的开关可以在“接通”状态和“断开”状态之间切换，以在端通孔和分流通孔之间切换来自输入的波的反射。因此，波的相位可以根据开关的接通/断开状态在一定程度上改变。
图17是示出根据实施例的基于光开关的天线的图。图17示出了辐射偶极子单元结构，其中光开关嵌入在偶极子的每一个臂中。从天线的输入到每个光开关的距离可以是波长的1/4。偶极子的极性可以通过将一个开关切换到“接通”状态并且另一个开关切换到“断开”状态(或反之亦然)来切换。该天线可以以末端发射方向提供辐射。
图18是示出根据另一实施例的基于光开关的天线的图。图18示出了辐射贴片天线单元，其中光开关嵌入在偶极子的每一个臂中。类似于图17的实施例，从天线的输入到每个光开关的距离可以是波长的1/4。贴片天线的极性可以通过将一个开关切换到“接通”状态并且另一个开关切换到“断开”状态(或反之亦然)来切换。天线可以以宽带方向提供辐射。
图19是示出根据另一实施例的基于光开关的天线的图。根据图19的实施例的天线可以是根据图17和18的实施例的天线的组合。在这种情况下，可以使用多层印刷电路板。图19的实施例的天线可以以末端发射方向和宽带方向二者提供辐射。
根据上述实施例的光开关也可应用于单极多掷(SPnT)开关。
图20A和20B是示出根据实施例的基于光开关的单极多投开关的图。参考图20A，设备的光开关元件可以位于与连接设备的输入端口和N个输出端口的微带的交叉点距离λ/4处。
参考图20B，当设备工作时，光开关元件中的一个可以处于“断开”状态中并且其它的光开关元件可以处于“接通”状态中。在这种情况下，信号可以从输入端口传输到光开关元件处于“断开”状态的输出端口，并且从处于其它“接通”状态的其它光开关元件反射。因此，可以使用根据实施例的光开关元件的接通/断开控制来控制多个RF信道之间的切换。
图21A和21B是示出根据实施例的基于光开关的多掷二进制开关的图。参考图21A，设备的光开关元件中的每一个可以位于微带功率分配器的臂(分支)的一个上，在与接合点距离λ/4处。
参考图21B，当设备工作时，位于输入和期望的输出之间的路径中的光开关元件处于“断开”状态中，并且因此信号可以经由那里自由地通过，并且其它光开关元件处于“接通”状态中，并且因此信号可以经由那里反射以防止信号到达不期望的输出。因此，可以使用根据实施例的光开关元件的接通/断开控制来控制多个RF信道之间的切换。
图22是根据实施例的用于控制电磁波的传输的设备(例如，光开关)的框图。参考图22，设备100可以包括信号层110、分流通孔120、光电导半导体130和接地层140。在一个实施例中，设备100可以形成在PCB上，并且信号层110和接地层140可以分别是PCB的导电层和接地层。在这种情况下，介电层可以位于信号层110和接地层140之间，以使这些层彼此电绝缘。介电层可以由从具有低介电损耗、足够的电或机械强度、热传导率、耐温性、耐化学性和良好机械加工性的材料中选择的材料形成。例如，介电层可由氧化物基陶瓷(诸如BaO-TiO2-MnO2)或填充陶瓷的有机材料的混合物形成。
信号层110可以包括用于电磁波的传播的导线111。在一个实施例中，导线111可以是微带传输线。在一个实施例中，导线111可以允许从设备100的输入端子到其输出端子的电磁波的传播。
分流通孔120的第一端可以连接到导线并且其第二端可以连接到光电导半导体130。在一个实施例中，分流通孔120可以在信号层110中向着接地层140形成，但是可能不可以直接连接到接地层140，并且可以在分流通孔120和接地层140之间提供介电间隙。在一个实施例中，分流通孔120可以由具有高导电率的材料(例如，金属)形成。
光电导半导体130可以连接在分流通孔120和接地层140之间。在一个实施例中，光电导半导体130可以具有至少两种状态，例如，因为没有作为光信号的控制光通量而具有低本征导电率的介电状态(“断开”状态)，以及因为有控制光通量而具有相对高导电率的导电状态(“接通”状态)。当光信号被输入时，光电导半导体130可以电连接分流通孔120和接地层140，并且当没有输入光信号时，光电导半导体130可以将分流通孔120和接地层140彼此电绝缘。
当光信号未被输入时，电磁波可以通过连接输入端口和输出端口的导线111从输入端口行进到输出端口。然而，当输入光信号时，导线111经由分流通孔120和光电导半导体130电连接到接地层140，并且因此其状态变为分流状态。因此，电磁波可以在不通过分流通孔120的情况下被反射。因此，设备100可以基于光信号的输入，通过控制导线111和接地层140之间的连接来控制电磁波的传输。
此外，如上所述，在设备100中，光电导半导体130不直接连接到导线111，从而防止由于电子的复合和边缘效应导致电路老化和性能恶化。
图23是根据另一实施例的用于控制电磁波的传输的设备(例如，光开关)的框图。参考图23，类似于图22的设备，设备100可以包括信号层110、分流通孔120、光电导半导体130和接地层140。在一个实施例中，设备100可以形成在PCB上，并且信号层110和接地层140可以分别是PCB的导电层和接地层。在这种情况下，介电层可以位于信号层110和接地层140之间，以使这些层彼此电绝缘。
设备100还可以包括连接到导线111和分流通孔120的匹配元件150。在一个实施例中，匹配元件150可以包括在设备100的工作带宽中具有感应特性的元件，以补偿发生在分流通孔120和接地层140之间的介电间隙中的寄生电容。此外，匹配元件150可以包括在设备100的工作带宽中具有电容特性的元件，以补偿分流通孔120的电抗。
在一个实施例中，匹配元件150的感应元件部分可以电连接到分流通孔120和导线111，并形成在信号层110上。匹配元件150的感应元件部分可以补偿分流通孔120和光电导半导体130之间以及接地层140和光电导半导体130之间的寄生电容。当光电导半导体130断开时，寄生电容导致信号的损耗，从而降低传输性能。匹配元件150的感应元件部分导致产生在设备100的工作频率区域中的谐振区域中具有高电阻值的振荡电路。因此，电磁波可以以较小的损耗通过设备100，从而显著地增加其传输速率。当光电导半导体130处于接通状态时，匹配元件150的感应元件部分不会显著影响电磁波的反射性能。
匹配元件150的电容元件部分可以补偿分流通孔120的电抗。当光电导半导体130处于接通状态时，分流通孔120的电抗减少电磁波的反射率，从而降低信号阻塞性能。匹配元件150的电容元件部分造成振荡电路发生在设备100的工作频率区域中的谐振区域中，并且因此可以形成串联连接到等效电路中的分流通孔120的电抗的电容，从而改进信号阻塞性能。
在一个实施例中，匹配元件150的电容元件部分可以是以被信号层110外部的附加介电层隔开放置的导电焊盘的形式。在这种情况下，分流通孔120可以不与信号层110接触。
在一个实施例中，分流通孔120可以形成为包括裂口，并且匹配元件150的电容元件部分可以是嵌入在分流通孔120中的电容器的形式，并且可以被实现为位于裂口处的平面，以与信号层110和接地层130平行。在这种情况下，平面中的一个可以在裂口的一个处与分流通孔150接触，并且另一个平面可以在裂口的另一端处与分流通孔150接触。
图24是根据实施例的控制电磁波的传输的方法的流程图。参考图24，在操作S1010中，设备可以通过信号层上的导线的输入端接收电磁波。接收到的电磁波可以通过导线行进。
在操作S1020中，设备可以经由光电导半导体接收光信号，光电导半导体基于光信号的输入处于介电状态或导电状态。在一个实施例中，可以从包括LED的光源提供光信号。在一个实施例中，光信号可以脉冲的形式提供，并且脉冲的长度可以由光电导半导体的大小、材料和介电特性来确定。
在操作S1030中，导线可以基于光信号的输入通过光电导半导体和连接到光电导半导体的分流通孔电连接到接地层，接地层通过介电层与信号层电分离并且电接地。例如，当基于光信号接通光电导半导体时，导线可以电连接到接地层。另一方面，当光电导半导体断开时，导线可以与接地层电绝缘。
在操作S1040中，基于光信号的输入，可以从分流通孔反射电磁波。在一个实施例中，当基于光信号接通光电导半导体时，导线电连接到接地层，因此电磁波可以从分流通孔反射。另一方面，当电导半导体断开时，导线与接地层电绝缘，因此电磁波可以沿着导线从导线的输入端行进到其输出端。
如这里使用的，宽带方向可以指代垂直于设备(例如，通信设备)的平面的方向，并且末端发射方向可以指代与设备的平面(例如，显示平面)平行的方向。
根据本公开的实施例的使用光开关的光电导元件(例如，基于例如带状线、环行器、移相器、开关、天线等等的优化的波束成形生成)可应用于要求RF信号控制的电子设备，例如，毫米频带5G移动网络、无线千兆联盟(WiGig)高级标准、各种类型的传感器和Wi-Fi网络、无线功率传输(诸如远程无线功率传输)以及具有各种毫米波兼容性的智能系统，诸如智能表单系统、车辆导航，物联网(IoT)和无线支付。
具体地，当根据实施例的光开关用于无线功率传输时，可以使用通过单独的光开关连接到控制电路的多发射器的天线阵列。在这种情况下，控制电路可以以衍射光栅的形式控制开关的接通或断开。如上所述的根据实施例的传输天线可以在宽角度范围上具有改进的方向性。
当根据实施例的光开关用于机器人时，天线可用于检测或避免障碍物。由于使用根据实施例的光开关的天线在宽范围上具有可变的方向性，设备能够容易地预测障碍物。
根据实施例的光开关还可以应用于5G基站的天线。由于使用根据实施例的光开关的天线在宽范围上具有可变的方向性并且提供宽范围的可用距离，因此天线能够根据通信特性高效地发送和接收信号。
根据本公开的实施例，可以提供存储用于操作上述方法的计算机程序的计算机可读介质。此外，与本公开的本说明书同时提交或在其之前提交并在本说明书中公开的所有文件和文档的内容可以被包括作为引用。
这里描述的计算机可以用硬件组件、软件组件和/或硬件组件和软件组件的组合来实施。例如，实施例中描述的设备和组件可以使用一个或多个通用计算机或专用计算机(例如，处理器、控制器、算术逻辑单元(ALU)、数字信号处理器、微型计算机、现场可编程阵列(FPA)、可编程逻辑单元(PLU)、微处理器、或任何其它能够执行和响应指令的设备)来实现。
尽管上面已经结合有限数量的实施例和附图描述了实施例，本领域技术人员可以从上面的描述进行各种修改和修改。例如，即使当以与这里所描述的顺序不同的顺序执行上述技术和/或以与这里所描述的形式不同的形式组合上述组件(诸如，系统、结构、设备和电路)或用其它组件替换时，也可以实现适当的结果。
因此，本公开的范围不限于这里所描述的实施例，并且应当由权利要求及其等同物定义。

Claims (13)

1.一种用于控制电磁波的传输的设备，所述设备包括：
导线，位于信号层，并且经由输入端子接收的电磁波沿着所述导线行进；
接地层，通过介电层与信号层电分离，并且电接地；
分流通孔，包括第一端和第二端并且通过第一端连接到导线；以及
光电导半导体，连接在分流通孔的第二端和接地层之间，并且基于光信号的输入处于介电状态或导电状态，
其中导线通过处于导电状态下的光电导半导体和分流通孔电连接到接地层，从而引起电磁波从分流通孔的反射，
其中光信号包括脉冲信号，所述脉冲信号包括第一脉冲和至少一个第二脉冲，
其中第一脉冲具有足以将光电导半导体设置成导电状态的持续时间，并且
其中第二脉冲具有短于光电导半导体的载流子寿命的周期并且具有足以恢复导电状态的持续时间。
2.根据权利要求1所述的设备，其中使用印刷电路板提供所述设备，并且
信号层包括印刷电路板的导电层，并且接地层包括印刷电路板的接地层。
3.根据权利要求1所述的设备，还包括匹配元件，被配置以形成所述设备的驱动频带内的谐振电路。
4.根据权利要求3所述的设备，其中匹配元件包括感应元件，所述感应元件被配置为补偿分流通孔和接地层之间的寄生电容。
5.根据权利要求4所述的设备，其中感应元件连接到导线和分流通孔并且在信号层上提供。
6.根据权利要求5所述的设备，其中感应元件以三角的形状提供，所述三角具有位于导线和分流通孔的连接点处的顶点。
7.根据权利要求3所述的设备，其中匹配元件包括电容元件，所述电容元件电连接到分流通孔并且被配置为补偿分流通孔的电抗。
8.根据权利要求7所述的设备，还包括信号层外部的附加的介电层，
其中电容元件以导电焊盘的形式提供，所述导电焊盘通过附加的介电层连接到信号层和分流通孔。
9.根据权利要求7所述的设备，其中电容元件以嵌入在分流通孔中的电容器的形式提供。
10.根据权利要求3所述的设备，还包括微带分支，所述微带分支被配置为连接导线和分流通孔，
其中匹配元件位于微带分支上并且匹配元件的位置基于电磁波的波长来确定。
11.一种包括用于控制电磁波的传输的设备的移相器，所述移相器包括：
导线，位于信号层上并且连接到输入端子和端通孔，并且通过输入端子接收的电磁波沿着所述导线向端通孔行进；
接地层，通过介电层与信号层电分离，并且电接地；
分流通孔，包括第一端和第二端并且通过第一端连接到导线；以及
光电导半导体，连接在分流通孔的第二端和接地层之间，并且基于光信号的输入处于介电状态或导电状态，
其中导线通过处于导电状态中的光电导半导体和分流通孔电连接到接地层，从而引起电磁波从分流通孔的反射，
其中光信号包括脉冲信号，所述脉冲信号包括第一脉冲和至少一个第二脉冲，
其中第一脉冲具有足以将光电导半导体设置为导电状态的持续时间，并且
其中第二脉冲具有短于光电导半导体的载流子寿命的周期并且具有足以恢复导电状态的持续时间。
12.根据权利要求11所述的移相器，其中导线通过处于介电状态中的光电导半导体与接地层电绝缘，从而引起电磁波从端通孔的反射。
13.根据权利要求12所述的移相器，其中移相器使用印刷电路板提供，并且
信号层包括印刷电路板的导电层，并且接地层包括印刷电路板的接地层。
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