CN112713933A - 一种板间微波光无线传输系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种板间微波光无线传输系统,包括用于实现板间微波光信号传输的光发射组件和光接收组件,所述光发射组件包括前端具有出光口的发射端管壳、安装在发射端管壳内的陶瓷基板、集成在陶瓷基板上的LD芯片以及位于LD芯片前端的准直透镜,准直透镜前端设有空间隔离器;所述光接收组件包括前端具有进光口的接收端管壳、安装在接收端管壳内的耦合透镜、设于耦合透镜后端处的基板以及与基板电性相连的射频走线板,所述基板上集成有PD芯片。借由上述技术方案,本发明可实现微波信号的调制、光无线传输、微波光调制信号的解调,进而实现板间距离50mm内微波光调制信号的传输。
Description
技术领域
本发明属于板间无线通信技术领域,特别涉及一种板间微波光无线传输系统。
背景技术
板间微波光无线传输系统包括微波光调制、微波光无线传输和微波光解调三部分功能,其中微波光调制将微波信号调制到光信号上;微波光传输实现微波光调制信号的无线传输功能;微波光解调将接收到光调制信号中的微波信号解调出来。微波光传输系统具有工作频率高、带宽宽、透明传输、构架简单、可靠性高、抗干扰等优势,广泛的应用于国防领域,包括电子对抗、雷达通信、遥感遥测等。
随着微波光子技术迅猛发展和深入应用,军事装备系统对微波光传输技术的“轻薄化、高集成、多通道”需求越来越迫切,现有微波光纤传输系统已不能满足,主要问题如下:(1)系统互连复杂:现有的微波光传输系统中,多路微波信号传输时电信号采用同轴线互连,同时光信号采用光纤传输,导致整个系统互连复杂;(2)尺寸大、集成度低:传统微波光传输系统中同轴线和光纤的折弯半径大,多通道传输时,集成化提升困难,致使系统尺寸过大;(3)可靠性差:随着微波信号路数增加和集成化提升,现有的微波光传输系统结构复杂、硬件难度大、互连困难,使得系统可靠性大大降低。
发明内容
为解决现有技术的不足,本发明提出一种可以完成18GHz带宽微波信号的调制、解调以及光调制信号在板间距离50mm的无线传输功能的板间微波光无线传输系统。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种板间微波光无线传输系统,包括用于实现板间微波光信号传输的光发射组件和光接收组件,
所述光发射组件包括前端具有出光口的发射端管壳、安装在发射端管壳内的陶瓷基板、集成在陶瓷基板上的LD芯片以及安装在发射端管壳内且位于LD芯片前端的准直透镜,准直透镜前端设有空间隔离器,发射端管壳内安装有罩盖并封堵所述出光口的第一蓝宝石光窗以使发射端管壳构成密封腔体;
所述光接收组件包括前端具有进光口的接收端管壳、安装在接收端管壳内的耦合透镜、设于耦合透镜后端处的基板以及与基板电性相连的射频走线板,所述基板上集成有PD芯片,所述接收端管壳内安装有罩盖并封堵所述进光口的第二蓝宝石光窗以使接收端管壳构成密封腔体。
本发明的目的还采用以下技术措施来进一步实现。
进一步的,所述发射端管壳包括第一金属管壳和密封贯穿第一金属管壳的第一陶瓷部件,接收端管壳包括第二金属管壳和密封贯穿第二金属管壳的第二陶瓷部件;其中,所述第一、第二金属管壳用于将对应的光发射组件及光接收组件固定在对应载板上;所述第一陶瓷部件内部设置多层埋线从而分别与发射端管壳外部的载板以及发射端管壳内部的陶瓷基板电性连接,所述第二陶瓷部件内部设置多层埋线从而分别与接收端管壳外部的载板以及接收端管壳内部的射频走线板电性连接。
进一步的,所述光发射组件和光接收组件均采用BOX封装的方式安装在载板上,第一、第二陶瓷部件通过金丝键合或柔板实现与对应载板的电气连接。
进一步的,第一、第二蓝宝石光窗上均镀有增透膜以及金属层;其中增透膜用于提高光信号的透过率,减小光信号的损耗;金属层用于与对应金属管壳进行焊接以提高气密封性。
进一步的,所述陶瓷基板上集成有用于检测LD芯片工作温度的热敏电阻。
进一步的,所述光发射组件内集成有位于陶瓷基板及LD芯片下方的TEC,用于维持LD芯片的工作温度。
进一步的,所述LD芯片为DFB激光器芯片。
进一步的,所述陶瓷基板上集成有放置在LD芯片背面的MPD芯片,该MPD芯片用于监测LD芯片的出光功率是否正常。
进一步的,所述准直透镜对LD芯片发出的光调制信号转换为平行光后输出,平行光的光斑大小为0.32mm,空间隔离器的隔离度≥55dB且其通过孔径≥0.9mm,光调制信号从出光口发出并传输50mm后通过耦合透镜耦合至光接收组件的PD芯片中,从而实现光调制信号的无线传输;且光调制信号传输50mm后,其光斑大小扩散为0.38mm,再经耦合透镜聚焦后的光斑大小为4μm,25Gbps的PD芯片的光敏面为20μm。
进一步的,所述光发射组件和光接收组件安装于同一载板或者同层载板时可实现同层无线光传输;所述光发射组件和光接收组件分别安装于相对布置的载板上时可实现垂直无线光传输。
借由上述技术方案,本发明与现有技术相比至少具备以下有益效果:
1、本发明可实现微波信号的调制、光无线传输、微波光调制信号的解调功能,进而实现光调制信号在板间距离50mm的传输功能。
2、本发明中的光发射组件可将18GHz带宽的微波信号调试成光信号,并通过光束整形,将其平行发射出去,并且在光发射组件中集成TEC及热敏电阻从而可以检测并控制LD芯片的工作温度;对应的,本发明中的光接收组件可将空间传输过来的光调制信号中的微波信号解调出来,完成整个系统的光无线传输功能。
3、本发明采用光电集成和微组装技术,将芯片、元件之间进行键合互连,实现该系统的器件化和轻薄化,产品整体高度不超过5mm,可实现同层水平无线光传输和垂直无线光传输。
上述说明仅是本发明技术方案的概述,为了能更清楚了解本发明的技术手段,而可依照说明书的内容予以实施,并且为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂,以下特举较佳实施例,并配合附图,详细说明如下。
附图说明
图1是本发明一种板间微波光无线传输系统的结构示意图。
图2是本发明中光发射组件的内部结构示意图。
图3是本发明中光接收组件的内部结构示意图。
图中:1、发射端管壳,1-1、第一金属管壳,1-2、第一陶瓷部件,1-3、出光口,2、TEC,3-1、陶瓷基板,3-2、MPD芯片,3-3、LD芯片,3-4、热敏电阻,4-1、准直透镜,4-2、空间隔离器,4-3、第一蓝宝石光窗,5-1、耦合透镜,5-2、第二蓝宝石光窗,6-1、PD芯片,6-2、基板,6-3、射频走线板,7、接收端管壳,7-1、第二金属管壳,7-2、第二陶瓷部件,7-3、进光口。
具体实施方式
以下结合附图及较佳实施例作进一步的详细说明。
一种板间微波光无线传输系统的具体实施例如图1至图3,其包括光发射组件和光接收组件,可实现微波光信号的调制、光无线传输以及微波光调制信号的解调,从而完成18GHz带宽微波信号的调制、解调以及光调制信号在板间距离50mm的传输。
本实施例中,以光发射组件和光接收组件进行光互连的一端作为前端,其中光发射组件包括前端具有出光口1-3的发射端管壳1、安装在发射端管壳内的陶瓷基板3-1、集成在陶瓷基板上的LD芯片3-3以及安装在发射端管壳内且位于LD芯片前端的准直透镜4-1;LD芯片优选为DFB激光器芯片;准直透镜4-1前端设有空间隔离器4-2,在光路中增加空间隔离器,可有效降低噪声;发射端管壳1内安装有罩盖并封堵出光口1-3的第一蓝宝石光窗4-3,以使发射端管壳构成密封腔体,且第一蓝宝石光窗位于空间隔离器的前端。进一步的,所述陶瓷基板上还集成有放置在DFB激光器芯片背面的MPD芯片3-2,该MPD芯片为背光监测探测器,用于监测DFB激光器芯片的出光功率是否正常。
光接收组件包括前端具有进光口7-3的接收端管壳7、安装在接收端管壳内的耦合透镜5-1、设于耦合透镜后端处的基板6-2以及与基板电性相连的射频走线板6-3,耦合透镜为聚焦透镜,所述基板上集成有PD芯片6-1,所述接收端管壳内安装有罩盖并封堵所述进光口的第二蓝宝石光窗5-2,以使接收端管壳构成密封腔体;前述的基板6-2上布设走线以及集成PD芯片,用于将解调出来的信号传输到射频信号走线板上,射频信号走线板6-3作用是传输射频信号和进行阻抗匹配,并最终将信号从光接收组件传输出去。
作为优选,两组件管壳内对应的蓝宝石光窗上均镀有增透膜以及金属层,其中增透膜用于提高光信号的透过率,减小光信号的损耗,提高板间微波无线光传输系统的可靠性;金属层用于与对应金属管壳进行焊接以提高气密封性。此外,所述准直透镜、空间隔离器以及耦合透镜均通过各自配套的支架或支座结构固定在光路上的相应位置;光学元器件采用激光点焊的形式进行固定,并通过试验释放焊点应力,提高焊点的可靠性。
作为优选,发射端管壳1包括第一金属管壳1-1和密封贯穿第一金属管壳的第一陶瓷部件1-2,接收端管壳7包括第二金属管壳7-1和密封贯穿第二金属管壳的第二陶瓷部件7-2;其中第一、第二金属管壳用于将对应的光发射组件及光接收组件固定在对应载板上,金属管壳与载板的机械固定方式包括但不限于焊接或者通过结构件连接;第一、第二陶瓷部件起电路板的作用,内部具有多层走线用于实现电气连接;具体而言,第一陶瓷部件内部设置多层埋线并在第一金属管壳内外侧设置金手指,从而分别与发射端管壳外部的载板以及发射端管壳内部的陶瓷基板以引线键合等方式进行电性连接;同理,第二陶瓷部件内部也设置多层埋线,并在第二金属管壳内外侧形成金手指,从而分别与接收端管壳外部的对应载板及射频走线板通过引线键合的方式进行连接。优选的,各金属管壳与其对应的陶瓷部件之间的连接固定形式包括但不限于烧结或共晶焊接,能保证发射端/接收端管壳整体的气密封即可。
本发明在装配时,光发射组件和光接收组件均采用BOX封装的方式安装在用户的载板上,各陶瓷部件通过金丝键合或柔板实现与对应载板的电气连接。
综上,本发明中的光发射组件主要将宽带微波信号转换为光调制信号,并通过准直透镜4-1、空间隔离器4-2、各蓝宝石光窗及耦合透镜5-1等光学系统将LD芯片(激光器芯片)发出的类高斯光束整形后转换为平行光,传输50mm后通过耦合透镜5-1将光调制信号耦合至PD芯片(探测器芯片)中,从而实现调制光信号无线传输。光接收组件主要将光调制信号的中微波信号解调出来,并通过射频走线板6-3上集成的偏置电路和匹配电路保证射频信号从光接收组件输出。
进一步的,所述陶瓷基板上还集成有位于LD芯片一侧的热敏电阻3-4,并在陶瓷基板3-1及LD芯片3-3下方设置TEC 2,TEC 2安装在第一金属管壳内底部位置。其中热敏电阻距离LD芯片非常近,用于直接检测LD芯片的温度;而TEC是一种半导体器件,用于制冷或制热,其伸出两根引线连接至相应控制电路,通过控制电流大小及电流方向即可实现制热或制冷;具体的,陶瓷基板上集成高精度自动温度控制电路(ATC电路),热敏电阻实时检测LD芯片的工作温度并反馈给该温度控制电路,温度控制电路改变TEC的电流大小和电流方向使TEC制冷或制热,从而对LD芯片进行温度控制,例如使激光器芯片始终工作在25℃,经试验验证,微波无线光传输系统可满足机载环境。
本发明采用光电集成和微组装技术,将光电芯片、阻容类元器件和基板之间进行键合互连,同时微组装工艺将TEC、各基板和光学元件封装在一起,实现该系统的器件化和轻薄化,产品整体高度不超过5mm,可实现同层水平传输和垂直无线光传输;具体地讲,光发射组件和光接收组件安装于同一载板或者同层载板时可实现同层水平无线光传输;通过改变光发射组件和光接收组件的安装方向(相当于在同层水平传输的安装方式基础上将光发射/光接收组件旋转90°立起安装并维持出光口和进光口相对布置),并使光发射组件和光接收组件分别安装于相对布置的载板上时,又可实现垂直无线光传输。
本发明的具体工作原理如下所述:
进行光信号无线传输时,准直透镜4-1对DFB激光器芯片发出的光束进行整形,将类高斯光束变为平行光输出,平行光的光斑大小为0.32mm,空间隔离器4-2的隔离度≥55dB且其通过孔径≥0.9mm,有效防止光调制信号反射重新进入DFB激光器芯片干扰主信号,利用ZMAX软件对光学系统进行仿真设计,使光无线调制信号传输50mm后进入光接收组件,其光斑大小扩散为0.38mm,再经耦合透镜聚焦后的光斑大小为4μm,25Gbps的PD芯片6-1的光敏面为20μm,远远满足光接收组件系统要求,耦合透镜5-1将光调制信号耦合至PD芯片6-1中,完成光信号无线传输,基板6-2将解调出来的信号传递至射频走线板6-3,射频走线板6-3对信号进行阻抗匹配后通过第二陶瓷部件将信号从光接收组件传输出去。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例而已,任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围内,依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种板间微波光无线传输系统,其特征在于:包括用于实现板间微波光信号传输的光发射组件和光接收组件,
所述光发射组件包括前端具有出光口的发射端管壳、安装在发射端管壳内的陶瓷基板、集成在陶瓷基板上的LD芯片以及安装在发射端管壳内且位于LD芯片前端的准直透镜,准直透镜前端设有空间隔离器,发射端管壳内安装有罩盖并封堵所述出光口的第一蓝宝石光窗以使发射端管壳构成密封腔体;
所述光接收组件包括前端具有进光口的接收端管壳、安装在接收端管壳内的耦合透镜、设于耦合透镜后端处的基板以及与基板电性相连的射频走线板,所述基板上集成有PD芯片,所述接收端管壳内安装有罩盖并封堵所述进光口的第二蓝宝石光窗以使接收端管壳构成密封腔体。
2.根据权利要求1所述的一种板间微波光无线传输系统,其特征在于:所述发射端管壳包括第一金属管壳和密封贯穿第一金属管壳的第一陶瓷部件,接收端管壳包括第二金属管壳和密封贯穿第二金属管壳的第二陶瓷部件;其中,
所述第一、第二金属管壳用于将对应的光发射组件及光接收组件固定在对应载板上;
所述第一陶瓷部件内部设置多层埋线从而分别与发射端管壳外部的载板以及发射端管壳内部的陶瓷基板电性连接,所述第二陶瓷部件内部设置多层埋线从而分别与接收端管壳外部的载板以及接收端管壳内部的射频走线板电性连接。
3.根据权利要求2所述的一种板间微波光无线传输系统,其特征在于:所述光发射组件和光接收组件均采用BOX封装的方式安装在载板上,第一、第二陶瓷部件通过金丝键合或柔板实现与对应载板的电气连接。
4.根据权利要求1所述的一种板间微波光无线传输系统,其特征在于:第一、第二蓝宝石光窗上均镀有增透膜以及金属层;其中增透膜用于提高光信号的透过率,减小光信号的损耗;金属层用于与对应金属管壳进行焊接以提高气密封性。
5.根据权利要求1所述的一种板间微波光无线传输系统,其特征在于:所述陶瓷基板上集成有用于检测LD芯片工作温度的热敏电阻。
6.根据权利要求5所述的一种板间微波光无线传输系统,其特征在于:所述光发射组件内集成有位于陶瓷基板及LD芯片下方的TEC,用于维持LD芯片的工作温度。
7.根据权利要求1所述的一种板间微波光无线传输系统,其特征在于:所述LD芯片为DFB激光器芯片。
8.根据权利要求7所述的一种板间微波光无线传输系统,其特征在于:所述陶瓷基板上集成有放置在LD芯片背面的MPD芯片,该MPD芯片用于监测LD芯片的出光功率是否正常。
9.根据权利要求1所述的一种板间微波光无线传输系统,其特征在于:所述准直透镜对LD芯片发出的光调制信号转换为平行光后输出,平行光的光斑大小为0.32mm,空间隔离器的隔离度≥55dB且其通过孔径≥0.9mm,光调制信号从出光口发出并传输50mm后通过耦合透镜耦合至光接收组件的PD芯片中,从而实现光调制信号的无线传输;且光调制信号传输50mm后,其光斑大小扩散为0.38mm,再经耦合透镜聚焦后的光斑大小为4μm,25Gbps的PD芯片的光敏面为20μm。
10.根据权利要求1所述的一种板间微波光无线传输系统,其特征在于:所述光发射组件和光接收组件安装于同一载板或者同层载板时可实现同层无线光传输;所述光发射组件和光接收组件分别安装于相对布置的载板上时可实现垂直无线光传输。
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