CN114361749A - 一种具有片上集成偏置器的毫米波光电混频器件 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种具有片上集成偏置器的毫米波光电混频器件，在石英基片上的毫米波电路包括有偏置器，偏置器由对称扇形渐开线的片上集成RF扼流端口和耦合微带线结构的片上集成DC隔直端口组成，并通过E‑面探针的结构，将片上毫米波模式耦合给空气波导。本发明的结构提高了片上集成偏置电路的通带带宽、低损耗特性，同时可以针对不同毫米波频段进行设计，具有较强拓展性。

Description

一种具有片上集成偏置器的毫米波光电混频器件

技术领域

本发明属于光子技术领域，特别涉及一种具有片上集成偏置器的毫米波光电混频器件。

背景技术

光子技术对于在室温下工作的毫米波源(30GHz–300GHz)的开发越来越重要。最近，基于此类波源的各种应用，包括毫米波光纤无线通信、光谱传感、微波光子学雷达和成像系统已被报道，并证明了与全电子系统相比，光子系统具有大带宽的优势。在这些应用中，单行载流子光电二极管(UTC-PDs)，特别是改进型单行载流子探测器(MUTC-PDs)，是以上各类系统中光电转换的关键器件，我们已成功制备面向1550nm光纤通信系统的InP/InGaAs背入射式、3-dB带宽达150GHz光电探测器芯片。

在此基础上，为了使器件实用化，需要对该芯片进行封装以形成光电混频器件，该器件可对调制光信号进行转化，输出高频的毫米波。目前报道的毫米波光电混频器件，在提供器件的偏置电路方面，大多在介质基片上采用集总的电感、电容等电路元件结合微带电路的方法，而集总的电路元件在高频处的带宽存在限制，使得器件的工作带宽受限，因此大多数的报道主要集中在V(50-75GHz)/W(75-110GHz)等波段，并且较难覆盖整个频段；在器件输出形式上主要采用同轴接口、天线辐射以及波导输出，其中对于波导口输出接口来说，片上微波模式多采用探针进行耦合，而对于采用探针的耦合方式来说，探针插入波导的深度的装配的误差对耦合结果影响很大，因此需要更精确且简便的装配方式。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种针对100GHz以上的波导型输出的光电混频器件，其中包括基于石英衬底的接地共面波导结构的低损耗偏置器电路和E面探针的耦合输出结构，以及包括直流电接口、光纤接口、毫米波输出接口的整体器件的结构，以及相应的完整的封装方法。本发明的器件具有宽带低损耗、低工艺复杂度、高普适性的特点。

一种具有片上集成偏置器的毫米波光电混频器件，所述器件包括上部管壳、下部管壳以及侧面盖板；所述下部管壳上设置有直流加载端口，用于获取直流电流，所述下部管壳内部设置有毫米波电路、光电探测器芯片；所述上部管壳上设置有用于输入外部光信号的光纤插入的光纤接口，并照射所述光电探测器芯片上以完成光电转化；所述上部管壳和下部管壳组装在一起形成有内部中空的空气波导，并在管壳壁上形成有波导输出接口；所述毫米波电路包括片上偏置器，其特征在于：所述片上偏置器包括相互连接的片上集成RF扼流端口和片上集成DC隔直端口，用于完成交流与直流信号的分离，所述毫米波电路的毫米波模式耦合进入所述空气波导并经所述波导输出接口输出。

优选地，毫米波电路还包括用于焊接所述光电探测器芯片的焊点和将较宽的信号线缓慢变窄的第一信号线宽缓慢过渡段，所述第一信号线宽缓慢过渡段将信号线宽度和间距变窄以方便和所述焊点宽度匹配并连接，所述第一信号线宽缓慢过渡段与所述片上集成RF扼流端口连接。

优选地，光电探测器芯片正面预置共面波导传输线，采取倒装焊的连接方式将其倒装至片上电路，所述共面波导传输线与所述毫米波电路焊接。

优选地，毫米波电路密封安装到所述器件上之前，还包括与所述片上集成DC隔直端口连接的第二信号线宽缓慢过渡段，其宽度和间距与常用的微波测试探针的电极间距进行匹配，以单独评测所述偏置器的性能。

优选地，毫米波电路包括探针，所述探针采取E-面探针的耦合方式从所述空气波导的长边插入所述空气波导中，将所述毫米波电路的毫米波模式耦合进入所述空气波导。

优选地，探针依次包括片上的微带线、中间过渡段和高阻抗传输线，所述高阻抗传输线的一部分插入所述空气波导中。

优选地，当所述毫米波电路的探针一侧的宽边抵在所述空气波导的管壁处时，伸入所述波导部分的长度正好为所述探针插入所述空气波导的深度。

优选地，片上集成RF扼流端口采用对称扇形开路支节，用于对高频信号扼制和加载直流电压。

优选地，片上集成DC隔直端口采用耦合微带线，用于隔绝直流信号。

优选地，毫米波电路的基片为石英。

本发明的有益效果：本发明器件中的RF扼流端口采用对称扇形开路支节，增大了等效电容，减小了等效阻抗，提高RF信号的隔离度，减小了对毫米波的泄露损耗。DC隔直端口，采用耦合微带线，通过设计耦合线长度及耦合强度，增大其传输带宽并减小其插入损耗。利用探针结构的两段匹配，将石英基片上毫米波模式耦合进入波导中，提高了微带模式到毫米波模式的转化效率。

附图说明

图1是本发明的光电混频器件管壳的外部结构整体示意图，其中图1(a)为正面视图，图1(b)为背面视图；

图2是本发明的光电混频器件管壳内部总体结构示意图；

图3是本发明的光电混频器件管壳内部总体结构中毫米波电路的放大示图；

图4是本发明光电混频器件上、下部管壳拆解后的示意图；

图5是本发明光电混频器件下部管壳上毫米波电路的位置示意图；

图6是本发明的光电混频器件中的偏置器电路基本原理示意图；

图7示出的是本发明的光电混频器件中的偏置器电路的RF扼流端口，其中，图7(a)为RF扼流端口的微带原理模型，图7(b)为本发明设计的RF扼流端口的结构示意图；

图8示出的是本发明的光电混频器件中的偏置器电路的DC隔直端口，其中图8(a)为DC隔直端口的微带原理模型，图8(b)为本发明设计的DC隔直端口的结构示意图；

图9是本发明的光电混频器件中的毫米波电路的结构示意图；

图10是本发明的光电混频器件中的毫米波电路的探针结构示意图；

图11是本发明的光电混频器件中的毫米波电路的偏置器与探针的位置关系示意图；

图12是本发明的光电混频器件中的毫米波电路与波导的耦合方式示意图；

图13是本发明实施例针对F-波段设计的偏置器结构图以及S参数仿真结果，其中图13(a)是偏置器结构，图13(b)是S参数仿真结果；

图14是本发明实施例针对F-波段设计的完整的毫米波电路结构以及其与波导的耦合方式示意图，其中图14(a)是毫米波电路结构，图14(b)是毫米波电路结构与波导的耦合方式示意图；

图15是本发明实施例针对F-波段设计的完整的毫米波电路结构到波导的S参数仿真结果；

图16是本发明的光电混频器件的封装过程的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。

图1示出的是本发明的具有片上集成偏置器的毫米波光电混频器件的整体结构管壳优选是铝材料，整体镀金。图1(a)示出的是器件管壳的正面，器件管壳主要包括上部管壳11、下部管壳12以及侧面盖板13，光纤接口4位于上部管壳11上，光纤从此中插入，输入外部光信号，上部管壳11与下部管壳12通过螺丝3固定在一起。图1(b)示出的是器件管壳的背面，如图所示，上部管壳11和下部管12壳组装在一起形成内部中空的空气波导6，在管壁上形成有波导输出接口5，用于输出毫米波信号；直流加载端口位于下部管壳12上，包括偏压口14和地线口15，用于加载直流电压，获取直流电流，需要说明的是DC的外接端口的形式并不限于此，也可以设计成如商用的SMA、插接线等成熟的直流接口。

图2示出的是器件的内部结构，为了能够看清器件内部的结构，图2将整个器件的两壁暂时拿开，同时略去了用于管壳密封的螺孔、以及对波导做了透视化处理。主要包括，毫米波电路1，光电探测器芯片2、直流加载端口14和15、光纤接口4、波导输出接口5、波导6。如图2所示，光纤7从光纤接口4穿过，将外部光信号输入，并照射在光电探测器芯片2上以完成光电转化。通过有源耦合寻找光纤的最佳耦合位置后，由光纤固定夹具8将进入器件内的光纤固定，完成光信号的馈送。外加电压可通过直流加载端口插入导线与毫米波电路1的RF扼流端口相接，即可实现对光电探测器芯片2进行电压加载以及获取直流光电流；波导6为标准的空气波导，用于传输经毫米波电路产生的毫米波信号。

图3为图2局部放大后的示意图。更清晰的示出了光电探测器芯片2与毫米波电路1电连接方式，以及毫米波电路1与波导6的位置关系。由于本发明实施例中光电探测器芯片2为背入射式，即通过光纤7进入的入射光通过芯片的背面到达芯片的有源区，完成光信号到电信号的转化，芯片正面预置了共面波导传输线(CPW,Co-planar Waveguide)，方便与毫米波电路1相连接，因此采取倒装焊的连接方式，将芯片的CPW电极与毫米波电路1通过金锡合金焊接在一起。如图3所示，毫米波电路1将其探针9插入波导中，完成将毫米波电路1的毫米波模式耦合进入波导6并经波导输出接口5输出。本发明优选的实施例中，当毫米波电路1的探针9抵在波导6的管壁处时，伸入波导6的部分长度正好为探针9所设计的插入深度。

图4展示了上、下部管壳的内部波导的结构。如图所示，包括波导下半部分6-1、波导上半部分6-2，以及探针9的探针入口6-3。图5示出了波导6与探针的相互位置关系。如图所示，将毫米波电路1的探针9插入波导6(此处只示出了下半部分)的探针入口6-3中，探针9刚好抵住波导6的侧壁，以确保探针插入深度符合设计要求，避免因插入深度误差引入电磁波反射。

毫米波电路1的主要组成部分是宽带低损耗的片上接地共面波导偏置器，本发明的主要创新之一在于对偏置器进行设计。图6示出了偏置器的电路原型和传输线模型，在直流端口，由电感元件L₁完成对高频信号的扼制，同时存在一个旁路接地电容C₂，可以将泄露的交流信号引入地中，以免对直流偏置造成损伤；而在交流端口，则由电容元件C₁完成通交隔直的作用，因此整个偏置电路可以分为射频扼流端口和直流隔断端口两个部分。

对于射频扼流端口，如图7(a)中所示，在传输线原理上，采用传输线支节形成一个等效无穷大的阻抗，即Z_in越大，对于射频信号来说，从该端口看进去时就越接近开路，即可以达到扼制射频泄露、加载直流的作用。Z₁是支节传输线的阻抗，一般为高阻抗线以形成电感特性，Z₂则是一个开路的传输线对应的阻抗，一般为小阻抗特性以形成电容特性，Z_in与Z₁和Z₂的关系为：

其中,θ₁和θ₂是两段传输线的电长度，由公式(1)可以看出，Z₁越大、Z₂越小的情况下，Z_in就越大；同时Z₁/Z₂决定了止带带宽，该比值越大，即表明该端口可以在更大频率范围内扼制交流信号，因此需要通过调节两段传输线的阻抗以及电长度，形成支节尽可能大的阻抗。

对于Z₁这段高阻抗线来说，其信号线越狭窄阻抗越大，但同时需要考虑制作工艺的限制，因此应结合工艺和性能选取合适的阻抗；而对于Z₂这段低阻抗线来说，信号线线宽越宽阻抗越小，但是由于过宽的信号线容易产生平板波导模式，进而引入色散，造成阻抗失配，因此本发明中采用两段传输线并联的扇形线结构，如图7(b)所示，通过并联两段开路扇形传输线，可以获得相比单个更小的特征阻抗Z₂，因此可以提高交流隔离度以及带宽,并且减小色散造成阻抗失配，减小射频损耗。

对于直流隔断端口，如图8(a)所示，本发明中采用耦合传输线作为滤波器，由于信号线中间断开，自然形成隔直流效果，因此对于毫米波信号来说，问题转化为设计宽带、低损耗的滤波器。通过改变耦合线的长度L_SCL、间距G_CL以及耦合线的宽度W_CL，可以调节耦合线的奇模阻抗Z_0o和偶模阻抗Z_0e,由耦合线的传输理论可知，当相移θ＝π/2、奇偶模式阻抗满足公式(2)时，则可以获得最大的耦合系数，即最小的传输损耗：

其中,β为该毫米波模式的传输常数，Z_in和Z_out分别为输入和输出阻抗，由式(2)也可知耦合线的长度L_SCL应为λ/4，λ为传输毫米波的频率对应的石英材料中的波长。本发明采用的直流隔断设计如图8(b)所示，基本结构与原理图相似，但由于耦合线与GCPW的末端距离D_gap较近，会产生终端电容的效应，因此最佳的耦合效果对应的各个参数，应最终由三维的电磁仿真来确定。

本发明设计的具有宽带低损耗的片上接地共面波导偏置器的毫米波电路1基本样式如图9所示，基片材料优选为石英，在基片上设置有用于焊接光电探测器芯片2的AuSn焊点1-1，信号线宽缓慢过渡段1-2，片上集成RF扼流端口1-3，片上集成DC隔直端口1-4，以及信号线宽缓慢过渡段1-5。其中AuSn焊点1-1用于将光电探测器芯片2倒装焊至基片电路上；信号线宽缓慢过渡段1-2和1-5用于将较宽的信号线缓慢变窄，其中信号线宽缓慢过渡段1-2将信号线宽度和间距变窄以方便和1-1宽度匹配，而信号线宽缓慢过渡段1-5将信号线宽度和间距与常用的微波测试探针的电极间距(例如Formfactor公司I170-T-GSG-100)进行匹配，以方便单独评测偏置器的性能；片上集成RF扼流端口1-3和片上集成DC隔直端口1-4共同构成片上毫米波电路的偏置器10，如图11所示，完成交流与直流信号的分离。

为了将毫米波电路1的毫米波低损耗地耦合进入波导中，本发明在考虑到最终封装的形式后，采取E-面探针的耦合方式。如图10中所示，探针9从波导6的长边插入波导中，高频毫米波首先在片上的微带线9-1上传输，经过一段中间过渡段9-2和一段高阻抗传输线9-3后，到达整个探针的顶端，在探针顶端处激励起波导的TE₁₀模式，进而完成从片上模式到波导模式的转化。

探针的耦合效率由两部分决定。首先，探针本身设计的阻抗变换的结构是否能和波导的等效阻抗相匹配，此外，还取决于探针插入波导中的位置和深度。在本发明的优选实施例中，如图10所示，由探针的顶端向尾端方向看去，探针包括一段高阻抗传输线9-3，其宽度影响了高特征阻抗的大小，其物理长度则决定了反射系数的相位，高阻抗部分可以对探针与波导之间形成的电容效应进行补偿；接着通过引入中间过渡段9-2，以更好地将特征阻抗转换为片上传输线的阻抗，完成阻抗配，以减小反射造成的损耗。片上的微带线9-1只是为了片上模式的传输，在后续的实际设计中，对该部分长度可按照设计要求进行缩短处理，以减小传输损耗，而过渡段和高阻抗传输线部分对耦合性能影响较大，不可随意调节设计好的尺寸。

在插入波导的位置方面，参考图10中所示的坐标，在z方向上，由TE₁₀模式的分布可知，波导中TE₁₀模式中电场最强的位置是波导长边的中间，因此为了获取最大的耦合强度，探针插入位置的z坐标也应处于波导长边的中间位置；在x方向上，主要影响因素为探针距离波导短路面的距离，由传输线理论可知，波导短路面对应电场为零、磁场最大的面，沿着-x方向看去，距离短路面λ/4的距离，短路面变为开路面，而开路面则具有最大电场，因此探针的x位置应该置于该处，以实现最大的电场耦合效率；在y方向，即等价为探针插入的深度，理论上由于TE₁₀模式，沿着y方向是均匀的，因此看似探针尖端位置可以任意深入，但除了考虑电场耦合之外，还需考虑阻抗匹配的问题。因此，通过阻抗分析以及考察探针与波导的相对位置关系，结合三维电磁仿真，可以在整个所需的毫米波通带实现内仅有零点几dB的耦合损耗。

将偏置器10与探针9结合起来，完成器件中毫米波电路1的部分，结构如图11所示，包括了集成偏置电路10以及探针9，伸出的异形结构即为探针9，需要指出的是，在将二者连接的时，去除图9中示出的信号线宽缓慢过渡段1-5，并缩减了探针的片上的微带线9-1的长度，以减小传输的损耗。完整的毫米波电路1与波导6的装配相对位置关系如图12所示，将毫米波探针插入波导口并推到底，此时完整毫米波电路1的探针伸出一侧的宽边正好可以抵住探针入口6-3管壁，以保证探针9插入波导6深度的准确性，减小装配误差对耦合效率的影响。

下面通过具体的实施例进行详细介绍。

实施例一：

基于以上原理，本实施例设计了针对F-波段(90-140GHz)的光电混频器件。

图13(a)所示为本实施例设计的毫米波电路的集成偏置器结构，对于宽带低损耗的片上接地共面波导偏置器，在厚度为127微米的石英衬上进行制作。在本实施例中，50欧姆的普通传输线由信号线宽度W_s1 330微米、间距G100微米的GCPW构成。对于集成偏置器RF扼流端口，通过设计优化仿真，得到高阻抗传输线宽度W_high为15微米，对应的特征阻抗为145欧姆，该高阻抗线的长度L_high理论上应接近λ/4(λ为115GHz频率电磁波在石英材料中的波长，约320微米)，因此通过有限元仿真在其附近搜索，最终获得L_high的最佳长度为290微米；接地电容本实施例采用两个开路扇形线来等效，通过有限元仿真计算得到其长度L_stub为440微米、张开角度θ_stub 45度的扇形线具有最佳的性能。此时，单个扇形线的特征阻抗为30欧姆，两端并联等效形成15欧姆的扇形线，因此可以进一步提高隔离度，减小泄露损耗。

对于集成偏置器的DC隔断端口，如图13(a)所示，本实施例采用基于耦合线的带通滤波器进行设计。由前面可知，通过调节耦合线的宽度W_cp、长度L_cp和间距D_cp，可以调节耦合线的奇模和偶模的特征阻抗，进而决定耦合强度和传输损耗。通过三维有限元仿真计算，当最小插入损耗时，耦合线宽度W_cp为75微米、间距D_cp为15微米、L_cp为340微米、耦合线尖端与微带间距D_gap为30微米，此时耦合线的奇模阻抗Z_0o为45欧姆，偶模阻抗Z_0e为135欧姆，由式(2)可计算出耦合线两端的输入输出阻抗(Z_in＝Z_out)应为45欧姆，因此所述DC隔断端口在与所述RF扼流端口连接时，还引入一段阻抗过渡线，将50欧姆的信号线(对应宽度W_s1，330微米)过渡到45欧姆(W_s2，380微米)。

图13(b)给出了集成偏置器损耗(S₂₁)、直流隔离度(S₃₁)、反射(S₁₁)参数的仿真结果，在整个F-波段，集成偏置器的最大损耗仅为0.87dB，反射系数在整个F-波段内小于-12dB，直流端口交流隔离度大于18dB，具有优秀的传输和隔离性能。表1给出了偏置器的关键结构对应的参数，为了便于对微波探针进行测试，图12中的样式为对称的GCPW端口。

表1实施例一中针对F-波段设计的集成偏置器关键参数

参数

W<sub>s1</sub>

G

W<sub>high</sub>

L<sub>high</sub>

L<sub>stub</sub>

θ<sub>stub</sub>

值

330um

100μm

15μm

290μm

440μm

45°

参数

W<sub>cp</sub>

L<sub>cp</sub>

D<sub>cp</sub>

D<sub>gap</sub>

D<sub>via</sub>

W<sub>s2</sub>

值

75μm

340μm

15μm

30μm

140μm

380μm

对于低损耗片上毫米波模式与WR08波导(对应F-波段)模式耦合的探针，如图14(a)所示，右端伸出的部分即为毫米波电路的探针，探针部分石英基片的宽度为680微米，探针的主体由三个金属微带线部分构成，长度分别为L₁、L₂和L₃，对应宽度分别为W₁、W₂和W₃，L_in为探针插入波导部分的长度，用于在波导内部产生辐射耦合，因此L_in长度对应的部分的基底背面是不能镀有金的，而图14(a)所示的其他结构背面都需要镀金，来形成GCPW或者微带线。

对于探针的优化设计即针对以上的参数开展，其主要方法是对WR08波导等效阻抗进行匹配，并且过渡到50欧姆，完成模式的转化。如图14(b)所示，探针置于波导中，逆着探针方向有两个截面，分别为第一截面(位于高阻抗线部分与过渡线部分的交界)、第二截面(探针与集成偏置器的交界)。根据三维有限元电磁仿真，首先可以计算探针插入波导中耦合产生的电场分布，进而可以计算出从第一截面处向波导看去的等效阻抗Z_1WG，然后经过设计两段不同宽度的微带线，使得第二截面处的输入阻抗Z_2WG转化为50欧姆，以完成与片上阻抗的匹配。

经过三维仿真优化，插入波导的探针部分为540微米，高阻抗微带长度L₃为990微米，宽度W₃为180微米，此时第一截面处向波导内看去的输入阻抗Z₁为90欧姆；然后通过设计阻抗转化线，分别是一段长度L2为500微米、宽度W₂为180微米和一段长度L₁为500微米、宽度W₁为280微米的微带线，使得第二截面处的输入阻抗被转化为50欧姆，与前面设计的片上偏置器的阻抗相匹配。

经过仿真，当去除集成偏置器结构，仅考虑探针的耦合损耗时(即只仿真第一截面和波导输出端口的损耗)，仿真结果表明，该探针到WR08波导间的单端耦合仅有0.24dB损耗。进一步，如图14(b)所示，将偏置器与波导耦合结构结合在一起，获取整个毫米波电路结构与探针的总插入损耗、回波特性等，仿真结果如图15所示，其最大损耗仅为1.2dB，反射系数在整个F-波段内小于-10dB，直流端口交流隔离度大于15dB，满足工程化应用需求。

表2实施例一中探针结构关键参数

参数

W<sub>1</sub>

W<sub>2</sub>

W<sub>3</sub>

L<sub>1</sub>

L<sub>2</sub>

L<sub>3</sub>

L<sub>ib</sub>

值

280um

180μm

140μm

500μm

500μm

990μm

540μm

实施例二：将以上实施例中的针对F-波段的设计，基于相同原理，通过调节结构参数，可形成W-波段(75-110GHz)的光电混频器件。

实施例三：将以上实施例中的针对F-波段的设计，基于相同原理，通过调节结构参数，可形成G-波段(140-220GHz)的光电混频器件。

最后，结合图1、2、5及图16介绍本发明的器件的装配。先将光电探测器芯片2通过预置在毫米波电路1上的金锡合金焊点倒装焊到其上，然后在毫米波电路1的下方涂抹导电银胶，将毫米波电路1插入波导6中，并抵住侧壁；接着进行直流的连接，直流电压加载时，只需将一根导线从偏压口14中伸进管壳，然后与偏置器的RF扼流端口1-3焊接在一起，同时将另一根导线从地线口15中伸入管壳，然后焊接在管壳的任意金属面上即可(因为毫米波电路1中的通孔接了地，使得整个管壳都是接地的)，这样即可完成直流电压的偏置加载。

在做完上述装配后，然后利用专用的有源耦合设备，将光纤7从光纤接口4中伸入，在上部管壳11设计时，已将光纤接口4的中心位置与光电探测器芯片2的光敏面的中心对齐，此时首先先给光电探测器芯片2加载直流电压，使探测器芯片处于工作状态，然后通过光纤加载光信号，检测光电探测器的直流电流，同时调节光纤的位置，以获得最大的光电流，说明此时光纤7与光电探测器芯片2具有最佳的耦合状态，然后通过光纤固定夹具8，结合紫外UV胶水，对光纤7的位置进行固定，这样即可完成高耦合效率的光电接口封装，需要指出的是，图中所示的光纤7是裸纤，但在实际封装时，显然是要采用带有尾纤的光纤，以加固光接入端口。最后，将整个器件的侧面板13通过螺丝固定上去，至此完成器件的完整装配。

此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种具有片上集成偏置器的毫米波光电混频器件，所述器件包括上部管壳、下部管壳以及侧面盖板；所述下部管壳上设置有直流加载端口，用于获取直流电流，所述下部管壳内部设置有毫米波电路、光电探测器芯片；所述上部管壳上设置有用于输入外部光信号的光纤插入的光纤接口，并照射所述光电探测器芯片上以完成光电转化；所述上部管壳和下部管壳组装在一起形成有内部中空的空气波导，并在管壳壁上形成有波导输出接口；所述毫米波电路包括片上偏置器，其特征在于：所述片上偏置器包括相互连接的片上集成RF扼流端口和片上集成DC隔直端口，用于完成交流与直流信号的分离，所述毫米波电路的毫米波模式耦合进入所述空气波导并经所述波导输出接口输出。

2.根据权利要求1所述的一种具有片上集成偏置器的毫米波光电混频器件，其特征在于：所述毫米波电路还包括用于焊接所述光电探测器芯片的焊点和将较宽的信号线缓慢变窄的第一信号线宽缓慢过渡段，所述第一信号线宽缓慢过渡段将信号线宽度和间距变窄以方便和所述焊点宽度匹配并连接，所述第一信号线宽缓慢过渡段与所述片上集成RF扼流端口连接。

3.根据权利要求1所述的一种具有片上集成偏置器的毫米波光电混频器件，其特征在于：所述光电探测器芯片正面预置共面波导传输线，采取倒装焊的连接方式将其倒装至片上电路，所述共面波导传输线与所述毫米波电路焊接。

4.根据权利要求2所述的一种具有片上集成偏置器的毫米波光电混频器件，其特征在于：所述毫米波电路密封安装到所述器件上之前，还包括与所述片上集成DC隔直端口连接的第二信号线宽缓慢过渡段，其宽度和间距与常用的微波测试探针的电极间距进行匹配，以单独评测所述偏置器的性能。

5.根据权利要求1所述的一种具有片上集成偏置器的毫米波光电混频器件，其特征在于：所述毫米波电路包括探针，所述探针采取E-面探针的耦合方式从所述空气波导的长边插入所述空气波导中，将所述毫米波电路的毫米波模式耦合进入所述空气波导。

6.根据权利要求5所述的一种具有片上集成偏置器的毫米波光电混频器件，其特征在于：所述探针依次包括片上的微带线、中间过渡段和高阻抗传输线，所述高阻抗传输线的一部分插入所述空气波导中。

7.根据权利要求5或6所述的一种具有片上集成偏置器的毫米波光电混频器件，其特征在于：当所述毫米波电路的探针一侧的宽边抵在所述空气波导的管壁处时，伸入所述波导部分的长度正好为所述探针插入所述空气波导的深度。

8.根据权利要求1所述的一种具有片上集成偏置器的毫米波光电混频器件，其特征在于：所述片上集成RF扼流端口采用对称扇形开路支节，用于对高频信号扼制和加载直流电压。

9.根据权利要求1所述的一种具有片上集成偏置器的毫米波光电混频器件，其特征在于：所述片上集成DC隔直端口采用耦合微带线，用于隔绝直流信号。

10.根据权利要求1所述的一种具有片上集成偏置器的毫米波光电混频器件，其特征在于：所述毫米波电路的基片为石英。

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