CN112992871A - 一种制冷型光电平衡探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制冷型光电平衡探测器，包括输入光纤、保护套、管帽、光电探测芯片、电路板、三级TEC制冷片和管座；所述三级TEC制冷片固定连接在管座顶部，所述电路板固定在三级TEC制冷片顶部，所述光电探测芯片固定在电路板顶部，所述管帽套在三级TEC制冷片、电路板和光电探测芯片的外部，且管帽的底部固定在管座上，所述输入光纤固定在管帽顶部，且输入光纤的端部连接至光电探测芯片，所述保护套套在管帽的顶部及输入光纤上。本发明实现多个平衡探测器集成化，并在指定温度下工作。
Description
技术领域
本发明属于激光探测技术领域，具体涉及一种制冷型光电平衡探测器。
背景技术
随着科学技术的飞速发展，传统的强度调制/直接探测(IM/DD)技术已经无法满足人们对空间光通信高速率、远距离、大容量的迫切需求。相干光通信凭借着灵敏度高、中继距离长、抗干扰能力强、通信保密性能好、适合多种调制格式等众多优点备受人们的关注，是实现未来高速空间光通信的重要手段。相干光通信凭借灵敏度高、选择性好、通信容量大、可采用多种调制方式等优势成为现代光通信的研究热点。
直接将非相干光通信中的单管探测用于相干接收，不仅无法完全利用3dB耦合器输出的中频信号，还容易受到来自信道以及本振激光的共模噪声的影响。因此，为了完全利用混频信号并抑制共模噪声，采用平衡探测代替单管探测用于相干接收是一种较好的选择。
基于平衡探测器的相干探测原理是在同一个探测系统中，放置一组光电性能相同的光电探测器件，即平衡探测器。平衡探测器作为相干光通信系统的一部分，在高级调制格式的长距离光纤通信链路中起到至关重要的作用。高级调制格式，如差分相移键控(DPSK)，因其能够实现高效稳定的链路性能，且相对于传统的二进制启闭键控(OOK)调制可以提高3dB灵敏度，获得了越来越多的关注。
近年来，随着国内光电技术的发展，国内许多科研工作者也认识到了平衡探测技术的应用优势，开始了对这项技术的研究。但现阶段，国内对平衡探测器研究仍处于起步阶段，大都是采用采用分立光电器件实现单个平衡探测，集成度较差，成本较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制冷型光电平衡探测器，以克服现有技术存在的问题，本发明实现多个平衡探测器集成化，并在指定温度下工作。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种制冷型光电平衡探测器，包括输入光纤、保护套、管帽、光电探测芯片、电路板、三级TEC制冷片和管座；
所述三级TEC制冷片固定连接在管座顶部，所述电路板固定在三级TEC制冷片顶部，所述光电探测芯片固定在电路板顶部，所述管帽套在三级TEC制冷片、电路板和光电探测芯片的外部，且管帽的底部固定在管座上，所述输入光纤固定在管帽顶部，且输入光纤的端部连接至光电探测芯片，所述保护套套在管帽的顶部及输入光纤上。
进一步地，所述管座的中部设置有凸起，底部设置有管脚，且凸起部分位于管帽内侧。
进一步地，所述三级TEC制冷片设置在所述管座中部的凸起上，且位于凸起的正中间，所述三级TEC制冷片的正负极分别和插入管座内部的管脚连接。
进一步地，所述三级TEC制冷片正负极通过焊接的方式和管脚相连接。
进一步地，所述电路板位于三级TEC制冷片的正中间，且所述电路板的输入和输出电极分别和插入管座内部的管脚连接。
进一步地，所述电路板上连接有四个光电探测芯片，且四个光电探测芯片对称分布在电路板的四个边角，所述光电探测芯片的正负极分别和电路板上相应的带线连接。
进一步地，所述管帽和管座通过储能焊熔接连接。
进一步地，所述管帽和管座外层设置有镀镍层，镀镍层外侧设置有镀金层。
进一步地，所述光电探测芯片采用背照式PIN结构；所述光电探测芯片通过粘接技术进行封装；所述光电探测芯片和电路板通过金线键合方式集成电路。
进一步地，所述三级TEC制冷片通过粘接的方式和管座连接；所述电路板和三级TEC制冷片通过非导电胶粘接的方式连接。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明的制冷型光电平衡探测器有着独特的性能优势：1.采用集成平衡探测器代替单管探测，抑制了两个探测器的共模噪声，降低成本和体积，；2.采用差分电路，降低直流分量，增大交流幅值，得到清晰的待测信号；3.采用光纤耦合的方式，得到高的耦合效率，降低损耗，提高动态响应范围；4.有效降低噪声，提高信噪比；5.器件自带制冷，得到稳定的信号输出。所述制冷型光电平衡探测是可使用于测风雷达等系统中，不仅可以实现风速大小的测量，还能完成风向的监测。同时也能增强雷达信号的抗干扰能力，使得测风系统的灵敏度和准确度进一步提高。
本发明的制冷型光电平衡探测器有四个光电探测芯片，两个为一组。一束信号光和本振光经过90°光学混频器后输出4路光学信号，分别从输入光纤传输到四个光电探测芯片，两两输出光电电流经过同一跨组放大电路，得到一对正交信号，本发明采用光纤耦合的方式，光传输可达到99％以上，损耗非常低。
附图说明
图1为本发明的一种制冷型光电平衡探测器剖面结构示意图。
图2为本发明的一种制冷型光电平衡探测器仰视结构示意图。
图3为本发明的一种制冷型光电平衡探测器内部电路示意图。
其中，1.输入光纤；2.保护套；3.管帽；4.光电探测芯片；5.电路板；6.三级TEC制冷片；7.管座。
具体实施方式
下面对本发明作进一步的详细说明。
参见图1至图3，一种制冷型光电平衡探测器，包括：
输入光纤1，固定在管帽3上，用于输入四路调制信号。
管帽3，固定在管座7上，用于将所有部件封装在内。
管座7，位于三级TEC制冷片6的底部，用于固定三级TEC制冷片6和管帽3。
三级TEC制冷片6，位于电路板5和管座7之间，用于对平衡探测器进行制冷，达到需求的工作温度。
平衡探测器本体，粘贴于电路板5上与四路光纤耦合，用于将四路光纤输入的调制信号转化成电信号输出。
其中，平衡探测器本体包含4片光电探测芯片4、电路板5。光电探测芯片4用于接收输入光信号，并通过光电转换得到两组差分光电流信号；电路板5通过电阻、电容、带线集成，将差分信号转换成数字电压信号输出。
可选的，电路板5包括：主要为两组(四个)光电探测芯片4进行供电并构成差分电路，增大共模抑制比，提高信噪比等功能。该电路板5通过胶粘的方式粘贴在三级TEC制冷片6上；光电探测芯片4采用背照式PIN结构；光电探测芯片4通过粘接接技术进行封装；光电探测芯片4和电路板5通过金线键合方式集成电路；三级TEC制冷片6通过粘接的方式和管座7连接；三级TEC制冷片6正负极通过焊接的方式和管脚相连接；电路板5和三级TEC制冷片6通过非导电胶粘接的方式连接。
本发明提出的一种制冷型光电平衡探测器，设计采用目前较为成熟的半导体封装设计方案，结构紧凑，利于二次集成，兼顾器件实用性及通用性要求，提高器件可靠性及安全性。
本发明提出的一种制冷型光电平衡探测器，采用2对(4条)光纤输入，6引脚电输入和输出，封装采用金属TO管壳封装。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“顶部”、“底部”、“外部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”等术语做广义理解，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电联接；可以是直接连接，也可以通过中介媒介间接连接，可以是两个原件内部的连接，或通过两个原件的相互作用关系。除非另有明确的限定，对与本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1和图2所示的一种制冷型光电平衡探测器，由输入光纤1、保护套2、管帽3、光电探测芯片4、电路板5、三级TEC制冷片6、管座7等七个部件构成。
所述三级TEC制冷片6固定连接在管座7顶部。
所述电路板5固定在三级TEC制冷片6顶部。
所述光电探测芯片4固定在电路板5顶部。
所述管帽3底部固定管座7上，套在光电探测芯片4、电路板5和三级TEC制冷片6外部。
所述输入光纤1固定在管帽3上。
所述保护套2套在输入光纤1和管帽3上。
本实施例中，所述管座7的形状为凸起状，底部为管脚，顶部可以伸入管帽3中，和管帽3连接。所述管座7的顶部连接三级TEC制冷片6，且位于管座5的正中间，该三级TEC制冷片6的正负极分别和插入管座7内部的管脚连接。所述三级TEC制冷片6的顶部连接电路板5，且电路板5位于三级TEC制冷片6的正中间，所述电路板5的输入和输出电极分别和插入管座7内部的管脚连接。所述电路板5上连接四只光电探测芯片4，且四只光电探测芯片对称分布在电路板5的四个边角，正负极分别和电路板上相应的带线连接。
在具体的实施例中，所述输入光纤1将信号光传输到光电探测芯片4上，并将所接收到的光信号转化为电信号。
所述电路板5对光电探测芯片4转换后的电信号进行差分处理，并将处理后的信号通过管座7的管脚引出。
如图3所示该信号处理电路包括：芯片供电端、信号输入端、差分处理电路结构、信号输出端(差分处理后的信号)。芯片供电端通过管脚的键合线连接到差分电路中为PD芯片提供偏置电压，当供电端开启，并外加光信号时，一组PD芯片会产生两个光电流，这两个光电流经过差分电路处理，合成一个电流通过信号输出端连接到e、k管脚进行信号输出。
所述的管帽3和管座7组成的外壳体主要是起到保护和密封作用，保证探测器在工作过程中不受外界环境的影响。所述探测器整体呈圆柱形状，材料为可伐合金。输入光纤1耦合好后固定在管帽3上。管帽3和管座7通过储能焊熔接连接在一起，保证其密封性。所述管帽3和管座7外层镀镍镀金，能使探测器避免被氧化腐蚀，提高稳定性。
所述管座7上的管脚包括多个管脚，具体定义如下表：
表1管脚定义
通过表1可以看到，本实施例中的管脚信号中有多个引脚，如该管脚中的b号引脚和该探测器所需的正电源连接，管脚中h号引脚和该探测器负电源连接，为探测器提供偏置电压。g号引脚和i号引脚分别连接制冷片负电压和正电压，为制冷片供电，为探测器提供所需的工作温度。e号引脚和k号引脚是信号输出引脚，将光电探测芯片处理后的电信号分两路输出。
所述制冷型光电平衡探测器四个光电探测芯片4，两个为一组。一束信号光和本振光经过90°光学混频器后输出4路光学信号，分别从输入光纤1传输到四个光电探测芯片4，两两输出光电电流经过同一跨组放大电路，得到一对正交信号。本发明采用光纤耦合的方式，光传输可到到99％以上，损耗非常低。主要技术指标如下：
表2技术指标
所述制冷型光电平衡探测器有着独特的性能优势：1.抑制了两个探测器的共模噪声，得到清晰的待测信号；2.降低了直流分量，增大交流幅值；3.较大的动态响应范围；4.有效降低噪声，提高信噪比。所述制冷型光电平衡探测是可使用于测风雷达等系统中，不仅可以实现风速大小的测量，还能完成风向的监测。同时也能增强雷达信号的抗干扰能力，使得测风系统的灵敏度和准确度进一步提高。
本发明包含但不限于以上实施例，凡是在不脱离本发明的精神和所附权力要求限定的保护范围的情况下，对实施例进行的各种变化、替换和修改，均在本发明的保护范围之内。对于其他例子，在本领域内保持本发明保护范围内的同时，工艺步骤的次序可以变化。
Claims (10)
1.一种制冷型光电平衡探测器，其特征在于，包括输入光纤(1)、保护套(2)、管帽(3)、光电探测芯片(4)、电路板(5)、三级TEC制冷片(6)和管座(7)；
所述三级TEC制冷片(6)固定连接在管座(7)顶部，所述电路板(5)固定在三级TEC制冷片(6)顶部，所述光电探测芯片(4)固定在电路板(5)顶部，所述管帽(3)套在三级TEC制冷片(6)、电路板(5)和光电探测芯片(4)的外部，且管帽(3)的底部固定在管座(7)上，所述输入光纤(1)固定在管帽(3)顶部，且输入光纤(1)的端部连接至光电探测芯片(4)，所述保护套(2)套在管帽(3)的顶部及输入光纤(1)上。
2.根据权利要求1所述的一种制冷型光电平衡探测器，其特征在于，所述管座(7)的中部设置有凸起，底部设置有管脚，且凸起部分位于管帽(3)内侧。
3.根据权利要求2所述的一种制冷型光电平衡探测器，其特征在于，所述三级TEC制冷片(6)设置在所述管座(7)中部的凸起上，且位于凸起的正中间，所述三级TEC制冷片(6)的正负极分别和插入管座(7)内部的管脚连接。
4.根据权利要求3所述的一种制冷型光电平衡探测器，其特征在于，所述三级TEC制冷片(6)正负极通过焊接的方式和管脚相连接。
5.根据权利要求2所述的一种制冷型光电平衡探测器，其特征在于，所述电路板(5)位于三级TEC制冷片(6)的正中间，且所述电路板(5)的输入和输出电极分别和插入管座(7)内部的管脚连接。
6.根据权利要求1所述的一种制冷型光电平衡探测器，其特征在于，所述电路板(5)上连接有四个光电探测芯片(4)，且四个光电探测芯片(4)对称分布在电路板(5)的四个边角，所述光电探测芯片(4)的正负极分别和电路板(5)上相应的带线连接。
7.根据权利要求1所述的一种制冷型光电平衡探测器，其特征在于，所述管帽(3)和管座(7)通过储能焊熔接连接。
8.根据权利要求1所述的一种制冷型光电平衡探测器，其特征在于，所述管帽(3)和管座(7)外层设置有镀镍层，镀镍层外侧设置有镀金层。
9.根据权利要求1所述的一种制冷型光电平衡探测器，其特征在于，所述光电探测芯片(4)采用背照式PIN结构；所述光电探测芯片(4)通过粘接技术进行封装；所述光电探测芯片(4)和电路板(5)通过金线键合方式集成电路。
10.根据权利要求1所述的一种制冷型光电平衡探测器，其特征在于，所述三级TEC制冷片(6)通过粘接的方式和管座(7)连接；所述电路板(5)和三级TEC制冷片(6)通过非导电胶粘接的方式连接。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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