CN115172353A - 一种基于光电混合集成的4通道光电探测器 - Google Patents

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Abstract

本方案属于光电通信技术领域,具体涉及一种基于光电混合集成的4通道光电探测器。包括空间光路、微波链路和控制电路;空间光路:包括光纤、聚焦透镜和PD芯片;微波链路:包括Bias Tee、LNA芯片和衰减芯片;控制电路由电源变换器组成;还包括封装空间光路、微波链路和控制电路的壳体,所述壳体内为4通道,4通道之间通过物理隔离为独立的空间,每个通道内的空间光路、微波链路和控制电路在同一块陶瓷基板上实现混合集成。在同一壳体内实现4通道空间光路、微波电路和控制电路混合集成。封装结构及方法可实现气密性封装,具有良好通道隔离度和散热功能,同时降低了功耗,大大提高了系统的集成度。

Description

一种基于光电混合集成的4通道光电探测器
技术领域
本方案属于光电通信技术领域,具体涉及一种基于光电混合集成的4通道光电探测器。
背景技术
光电探测具有广泛的应用前景和巨大的战略价值,成为各国大力发展的技术领域。在众多的光电探测器中,混合型光电探测器是20世纪90年代发展起来的一种新型光电探测器,融合了真空光电器件与半导体光电器件的优点,弥补了两者的缺点与不足,广泛应用于高能物理、医疗仪器、生物检测、量子通信、天文观察和激光测距等领域。
混合型光电探测器的整管采用真空光电器件的金属-陶瓷结构,阴极采用真空器件的光电阴极,阳极为半导体探测器。工作时光电阴极上产生的光电子经加速后轰击在半导体材料的表面,产生数千倍的增益,轰击产生的电子-空穴对被半导体探测器的结区收集后实现信号输出。因此,混合型光电探测器兼具了真空器件光敏面积大、灵敏度高、响应速度快、噪声低、增益高和半导体器件动态范围大、功耗低等优点。
申请号为CN202010112946.2 的专利公开了光电探测器,所述光电探测器包括衬底、形成于所述衬底上的第一电极层、形成于所述第一电极层上的具有第一导电类型的光吸收层、形成于所述光吸收层上的隧穿结层、形成于所述隧穿结层上的具有第二导电类型的半导体层及形成于所述半导体层上的透明的第二电极层。其中,所述隧穿结层的材料为硫化镁与硫化锌的混合物。
该方案提供的光电探测器,可提高光电探测器膜结构的阻抗,有效降低光电探测器的暗电流,并可使得隧穿结在反向偏压下具有极好的光电倍增效应,提高光电探测器的灵敏度。
但是该方案中的光电接收机由分离的器件组成,光电接收和后级射频放大,然后通过同轴电缆的方式级联,此类系统体积大,很难满足集成化的应用场景。
发明内容
本方案提供一种集成度高的基于光电混合集成的4通道光电探测器。
为了达到上述目的,本方案提供一种基于光电混合集成的4通道光电探测器,包括空间光路、微波链路和控制电路;
空间光路:包括光纤、聚焦透镜和PD芯片;
聚焦透镜将光聚焦在PD芯片的光敏面,实现与PD的耦合,耦合后汇聚到金属化光纤内;
微波链路:包括Bias Tee、LNA芯片和衰减芯片;
光电芯片将光信号转换成电信号之后,通过微带将电信号传输到微波链路上;LNA芯片将接收到的信号进行线性放大,衰减芯片实现信号幅度大小变换;Bias Tee实现PD阻抗匹配;
控制电路由电源变换器组成;
还包括封装空间光路、微波链路和控制电路的壳体,所述壳体内为4通道,4通道之间通过物理隔离为独立的空间,每个通道内的空间光路、微波链路和控制电路在同一块陶瓷基板上实现混合集成。
本方案的有益效果:在同一壳体内实现4通道空间光路、微波电路和控制电路混合集成。;封装结构及方法可实现气密性封装,具有良好通道隔离度和散热功能,同时降低了功耗,大大提高了系统的集成度。
进一步,所述壳体为金属化屏蔽壳体。具有电磁屏蔽能力,可屏蔽外界、组件自身、多通道组件通道间所产生的射频干扰信号。
进一步,所述壳体一侧焊接微波连接头,另一侧焊接光纤套管,在壳体侧壁和内部焊接有绝缘子,绝缘子的内导体与腔体内部的电路采用引线键合方法实现电连接;在壳体内部每个通道上方设置盖板,覆盖在独立通上,同时盖板与壳体间进行气密性装配;壳体底部设置底盖版,保护电路。采用此种封装方式,可实现气密性封装,具有良好通道隔离度,低功耗,大大提高了系统的集成度。
进一步,所述绝缘子由金属外壳、玻璃体和内导体烧结制成;内导体与壳体间绝缘。绝缘效果更好。
进一步,所述装配空间光路时:PD芯片(8)贴片有两种贴装方式 :第一种,使用导电胶粘接或共晶方式垂直贴装PD芯片(8):第二种,使用导电胶粘接或共晶方式水平贴装PD芯片(8)。
进一步,所述垂直贴装PD芯片(8)耦合方式有两种:第一种:选用斜45°光纤,在显微镜下安装好,斜面朝上,耦合时光纤将光路折转90°直接对准PD有源区耦合至目标值,使用焊料固化金属化光纤;
第二种:选用斜45°光纤,先将聚焦透镜无源贴装到PD的正上方,使用UV胶固化或激光焊点焊,光纤通过有源耦合达到目标值,使用焊料固化金属化光纤。
进一步,水平贴装PD耦合方式有两种:第一种,选用水平斜8°光纤直接对准PD有源区耦合至目标值,使用焊料固化;第二种,使用焊料固定金属化光纤,再通过聚焦透镜耦合到目标值,使用UV胶或激光焊接点焊固定聚焦透镜。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图。
图2为本发明实施例的结构剖视图。
图3为本发明实施例2的散热装置的结构剖视图。
图4为本发明实施例2的壳体的圆盘与散热孔重叠的结构俯视图。
图5为本发明实施例2的圆盘与散热孔分离的结构俯视图。
图6为本发明实施例2的壳体的结构左视图。
图7为本发明实施例2的图6中A处的放大图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明:
说明书附图中的标记包括:壳体1、上盖板2、绝缘子3、射频绝缘子4、射频连接头5、衰减芯片6、LNA芯片7、PD芯片8、光纤9、控制电路10、底盖板11。
第一气缸101、微型风扇102、活塞103、安装板104、凸块105、正转开关106、反转开关107、镂空网108、散热装置109、壳体110、下侧壁111、第二气缸112、散热孔113、滑轨114、圆盘115、活塞杆116。
实施例1基本如附图1-2所示:
一种基于光电混合集成的4通道光电探测器,包括空间光路、微波链路和控制电路10;
空间光路:包括光纤9、聚焦透镜和PD芯片8经光耦合、固定、连线构成。聚焦透镜将光聚焦在PD芯片8的光敏面,实现与PD的耦合,耦合后汇聚到金属化光纤9内;
装配空间光路时:PD芯片8贴片有两种贴装方式,
第一种:使用导电胶粘接或共晶方式垂直贴装PD芯片8;
垂直贴装PD耦合方式有两种:
a、选用斜45°光纤9,在显微镜下安装好,斜面朝上,耦合时光纤9将光路折转90°直接对准PD有源区耦合至目标值,使用焊料固化金属化光纤9;
b、选用斜45°光纤9,先将聚焦透镜无源贴装到PD的正上方,使用UV胶固化或激光焊点焊,光纤9通过有源耦合达到目标值,使用焊料固化金属化光纤9;
第二种:使用导电胶粘接或共晶方式水平贴装PD芯片8;水平贴装PD耦合方式也有两种:
a、选用水平斜8°光纤9直接对准PD有源区耦合至目标值,使用焊料固化;
b、先使用焊料固定金属化光纤9,再通过聚焦透镜耦合到目标值,使用UV胶或激光焊接点焊固定聚焦透镜。
微波链路:包括Bias Tee、LNA芯片7和衰减芯片6;光电芯片将光信号转换成电信号之后,通过微带将电信号传输到微波链路上;LNA芯片7将接收到的信号进行线性放大,衰减芯片6实现信号幅度大小变换;Bias Tee实现PD阻抗匹配。
在装配微波链路时,使用导电胶粘接或共晶方式装配Bias Tee电路、LNA芯片7和衰减芯片6;微波链路由Bias Tee电路、LNA芯片7和衰减芯片6经固定在同一陶瓷基板上,通过引线键合连接构成。使用金丝、金带键合连接微波链路中各元器件。
控制电路10由电源变换器组成;主要包括电源的控制,给每个通道中的微波芯片、光电芯片提供电源供应。使用金丝和金带键合连接控制电路10馈电绝缘子3。
还包括壳体1,所述壳体1内为4通道,4通道之间通过物理隔离为独立的空间,每个通道内的空间光路、微波链路和控制电路10在同一块陶瓷基板上实现混合集成。
壳体1的上盖板2以及底盖板11的材料为可伐合金。对壳体1进行表面镀金处理;对上盖板2和底盖板11进行表面镀金处理;
在壳体1一侧焊接射频连接头5,另一侧焊接光纤9套管,在壳体1侧壁和内部焊接有绝缘子3,绝缘子3的内导体与腔体内部的电路采用引线键合方法实现电连接;在壳体1内部每个通道上方设置盖板,覆盖在独立通上,同时盖板与壳体1间进行气密性装配;壳体1底部设置底盖版,保护电路;绝缘子3由金属外壳、玻璃体、内导体烧结制成;内导体与壳体1间绝缘。
光纤9及加固部分由金属化光纤9、金属套管通过预制焊料与壳体1尾管部分采用电阻焊或者电磁感应焊接进行气密封装;具备气密性。
本方案公开了基于光电混合集成的4通道光电探测器的封装方法:
步骤一:使用机械加工方法完成壳体1加工,壳体1进行表面处理(表面镀金);使用机械加工方法完成上盖板2、下盖板11加工,并进行表面处理(表面镀金);使用玻璃烧结工艺将绝缘子3烧结至壳体1内,保证气密性;使用焊料焊接射频绝缘子4至壳体1;使用焊料焊接光纤9套件9中的金属套管至壳体1的光子端口上。
步骤二: 装配微波链路,包括使用导电胶粘接或共晶方式组装微波传输线;使用导电胶粘接或共晶方式组装Bias Tee、LNA芯片7、衰减芯片6;使用钎焊方式连接微波连接头与微波传输线;使用金丝、金带键合连接微波链路中各元件。
步骤三:装配空间光路,包括使用导电胶粘接或共晶方式组装PD芯片8;使用有源耦合方式,将待装配的光纤9用夹具夹持,耦合至理想数值后,使用UV胶或激光点焊方法固定;使用金丝键合连接PD芯片8与Bisa Tee。
步骤四:使用焊料焊接或导电胶粘接方式装配控制电路10;使用金丝键合连接控制电路10与微波链路中的LNA芯片7放大器7和衰减器6。
步骤五:开始调测,调试到满足指标要求后,使用激光封焊或平行封焊方式装配上盖板2,保证气密性。封装完成后,需检测气密性和腐蚀性;
步骤六:上述封装方法中步骤二、三、四可根据具体组件形态、装配实际情况等进行顺序上的调整。
实施例2,如附图3-5所示:
本实施例与实施例1不同之处在于,还包括散热装置109,散热装置109包括第一气缸101和微型风扇102,微型风扇102包括电机和扇叶,扇叶固定设在电机的输出轴上,第一气缸101固定设在壳体110外部上,第一气缸101的侧壁上滑动设有活塞103,活塞103与第一气缸101组成密闭空间,密闭空间内设有沸点为30°到40°的液体。
第一气缸101的端口上设有安装板104,安装板104上设有通风孔,电机的底部固定在安装板104上,活塞103上靠近微型风扇102方向上设有凸块105,安装板104上设有用于控制电机转动的开关,开关与凸块105相匹配,安装板104上设有通孔,通孔用于透气和平衡气压。
第一气缸101侧壁的材质为金属材质。金属材质导热性能好,能更好的感受到壳体110的温度变化,并能及时将壳体110上的温度传递至密封空间的液体内,进而第一气缸101将热量传递给液体也可降低壳体110的温度。
壳体110的上下两侧均设有四个散热装置109,四个散热装置109分别与每个通道相对应。散热效果更好。
风扇上设有保护壳体,保护壳体为镂空网108,避免扇叶被外界撞击损坏。
散热装置109上的开关包括控制电机正传的正转开关10611和控制电机反转的反转开关107,四个散热装置109的正转开关10611比反转开关107距离凸块105的距离短。
第一散热装置109上的正转开关10611还用于控制壳体110的下侧壁111导电,壳体110上下两侧壁上开设有相对应的散热孔113。
如附图6-7所示:
壳体110两侧的散热装置109之间还设有第二气缸112和滑轨114,第二气缸112的活塞杆106上固定连接有圆盘115,圆盘115滑动设置在滑轨114内,所圆盘115用于打开和关闭散热孔113;所述第二气缸112内的侧壁上滑动设有活塞103,活塞103与第二气缸112组成密封空间,密闭空间内设有沸点为30°到40°的液体。
当4通道外调制电光转换组件正在工作时, 当壳体110的温度达到30°以上时,第一气缸101内的液体蒸发,进而活塞103朝着风扇方向移动,进而四个散热装置109的活塞103先接触正转开关10611,四个散热装置109相对应的风扇开始正向转动,对着壳体110吹风将壳体110表面的热量吹走,壳体110的下侧壁111通电,因为重力的缘故,壳体110的上侧壁和零件上的灰尘会自动落在壳体110的下侧壁111上,而且通电的侧壁将灰尘吸附,避免灰尘堆积在壳体110内部的零件上。
同时第二气缸112内的液体蒸发,将活塞103朝着圆盘115方向推动,使得圆盘115与散热孔113从重叠状态至分离状态,此时,散热孔113完全漏出,风扇通过散热孔113吹风进去,继而将壳体110内的热量吹出,达到快速散热的目的,避免散热装置109将对应壳体110的热量吹散到旁边的,导致壳体110温度散热慢。
如果温度继续升高,第一气缸101内的压强继续增大,活塞103继续朝靠近散热装置109方向移动,进而四个散热装置109的活塞103接触反转开关107,进而四个散热装置109对应的风扇开始反向转动,风扇与壳体110之间形成负压,即可将四个散热装置109相对应的壳体110上热量吸走,同时也通过散热孔113将壳体110内的热量吸走,通过将散热装置109上的风机线正转后反转,达到散热的目的,增加了壳体110的使用寿命。
同时四个风扇反转,风扇与壳体110之间形成负压,进而可以通过散热孔113将壳体110内的灰尘吸出来,进而避免了灰尘粘附在零件上,影响4通道外调制电光转换组件的功率。
当壳体110的温度降低后,第一气缸和第二气缸112内的液体的温度降低,进而活塞103朝着气缸底部移动,进而使得凸块105先后和正转开关10611、反转开关107分离,圆盘115与散热孔113重合,进而将散热孔113堵住,避免灰尘进入壳体110内。
同时,第二散热装置109和第四散热装置109的反转开关107与凸块105相接触,使得第二散热装置109和第四散热装置109上的风扇反转,第二散热装置109和第四散热装置109上的风扇与壳体110之间形成负压,即可将第二散热装置109和第四散热装置109相对应的壳体110上热量吸走,达到快速散热的目的,避免散热装置109将对应壳体110的热量吹散到旁边,使得壳体110温散快。
本实施例所述封装结构及方法适用于多通道组件,具体通道数可根据设计需求增加或减少,封装结构与方法与本实施例类同。
以上所述的仅是本发明的实施例,方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出,对于本领域的技术人员来说,在不脱离本发明结构的前提下,还可以作出若干变形和改进,这些也应该视为本发明的保护范围,这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准,说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (7)

1.一种基于光电混合集成的4通道光电探测器,其特征在于:包括空间光路、微波链路和控制电路(10);
空间光路:包括光纤(9)、聚焦透镜和PD芯片(8);
聚焦透镜将光聚焦在PD芯片(8)的光敏面,实现与PD的耦合,耦合后汇聚到金属化光纤(9)内;
微波链路:包括Bias Tee、LNA芯片(7)和衰减芯片(6);
光电芯片将光信号转换成电信号之后,通过微带将电信号传输到微波链路上;LNA芯片(7)将接收到的信号进行线性放大,衰减芯片(6)实现信号幅度大小变换;Bias Tee实现PD阻抗匹配;
控制电路(10)由电源变换器组成;
还包括封装空间光路、微波链路和控制电路(10)的壳体(1),所述壳体(1)内为4通道,4通道之间通过物理隔离为独立的空间,每个通道内的空间光路、微波链路和控制电路(10)在同一块陶瓷基板上实现混合集成。
2.根据权利要求1所述的一种基于光电混合集成的4通道光电探测器,其特征在于:所述壳体(1)为金属化屏蔽壳体(1)。
3.根据权利要求1所述的一种基于光电混合集成的4通道光电探测器,其特征在于:所述壳体(1)一侧焊接射频连接头(5),另一侧焊接光纤(9)套管,在壳体(1)侧壁和内部焊接有绝缘子(3),绝缘子(3)的内导体与腔体内部的电路采用引线键合方法实现电连接;在壳体(1)内部每个通道上方设置盖板,覆盖在独立通上,同时盖板与壳体(1)间进行气密性装配;壳体(1)底部设置底盖版,保护电路。
4.根据权利要求1所述的一种基于光电混合集成的4通道光电探测器,其特征在于:所述绝缘子(3)由金属外壳、玻璃体和内导体烧结制成;内导体与壳体(1)间绝缘。
5.根据权利要求1所述的一种基于光电混合集成的4通道光电探测器,其特征在于:所述装配空间光路时:PD芯片(8)贴片有两种贴装方式 :第一种,使用导电胶粘接或共晶方式垂直贴装PD芯片(8):第二种,使用导电胶粘接或共晶方式水平贴装PD芯片(8)。
6.根据权利要求5所述的一种基于光电混合集成的4通道光电探测器,其特征在于:所述垂直贴装PD芯片(8)耦合方式有两种:第一种:选用斜45°光纤(9),在显微镜下安装好,斜面朝上,耦合时光纤(9)将光路折转90°直接对准PD有源区耦合至目标值,使用焊料固化金属化光纤(9);
第二种:选用斜45°光纤(9),先将聚焦透镜无源贴装到PD的正上方,使用UV胶固化或激光焊点焊,光纤(9)通过有源耦合达到目标值,使用焊料固化金属化光纤(9)。
7.根据权利要求6所述的一种基于光电混合集成的4通道光电探测器,其特征在于:水平贴装PD耦合方式有两种:第一种,选用水平斜8°光纤(9)直接对准PD有源区耦合至目标值,使用焊料固化;第二种,使用焊料固定金属化光纤(9),再通过聚焦透镜耦合到目标值,使用UV胶或激光焊接点焊固定聚焦透镜。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117906586A (zh) * 2024-03-19 2024-04-19 西安中科华芯测控有限公司 四通道一体化pin-fet探测器组件及其制作方法

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