CN115295633A - 集成有天线的波导光电探测器及系统、发送信号的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种集成有天线的波导光电探测器及系统、发送信号的方法，所述集成有天线的波导光电探测器包括：光电探测器、N条光波导、天线，所述N为正整数；一衬底上设有所述天线，且所述天线两臂的对称轴位置处设有馈电间隙，所述馈电间隙内设有所述光电探测器；以及所述衬底上形成有N条所述光波导，所述光电探测器连接所述光波导以获取所述光波导上传输的光载射频信号。本发明通过所述天线两臂的对称轴位置处设有馈电间隙，所述馈电间隙内设有所述光电探测器，使得所述天线和所述光电探测器可集成在同一块芯片的同一个器件上，以提高光学集成电路及系统的集成度。
Description
技术领域
本发明涉及光学集成电路技术领域，尤其涉及一种集成有天线的波导光电探测器及系统、发送信号的方法。
背景技术
波导光电探测器是光学集成电路中常用的将光号转换为电信号的器件。在一些微波光子学应用中，光信号经过波导光电探测器并被该波导光电探测器吸收转换为电信号，该电信号需即时被辐射到自由空间。
传统的方法是在光电探测器芯片外增加发射天线，并封装成一个系统。这种发放集成度低，封装复杂，成本高。
因此，本发明提出了一种集成有天线的波导光电探测器及系统、发送信号的方法，以提高微波光子系统的集成度。
发明内容
本发明提出了一种集成有天线的波导光电探测器及系统、发送信号的方法，以提高微波光子系统的集成度。
第一方面，本发明提供一种集成有天线的波导光电探测器，包括：光电探测器、N条光波导、天线，所述N为正整数；一衬底上设有所述天线，且所述天线两臂的对称轴位置处设有馈电间隙，所述馈电间隙内设有所述光电探测器；以及所述衬底上形成有N条所述光波导，所述光电探测器连接所述光波导以获取所述光波导上传输的光载射频信号。
其有益效果在于：本发明通过所述天线两臂的对称轴位置处设有馈电间隙，所述馈电间隙内设有所述光电探测器，使得所述天线和所述光电探测器可集成在同一块芯片的同一个器件上，以提高光学集成电路及系统的集成度。
可选地，所述光电探测器与所述天线的工作频率一致。其有益效果在于：通过所述光电探测器与所述天线的工作频率一致，有助于两者更好的协同工作，提高了所述集成有天线的波导光电探测器的工作效率。
可选地，所述天线包括：维尔瓦第天线、领结天线、槽缝天线和贴片天线中的至少一种。其有益效果在于：通过所述天线具有多种设计方式，所以可以更改所述天线的类型以适应实际成产的需求，例如天线辐射面积的需求。
进一步可选地，所述衬底包括：硅、绝缘体上硅、蓝宝石上硅、二氧化硅、磷化铟、铌酸锂、聚合物中的至少一种。其有益效果在于：通过所述集成有天线的波导光电探测器可以集成在由上述任一物质或多种物质构成的衬底上，以适应实际生产的需求。
又进一步可选地，所述天线的工作频率包括L波段频率范围、S波段频率范围、C波段频率范围、X波段频率范围、Ku波段频率范围、K波段频率范围、KA波段频率范围和太赫兹频率范围。其有益效果在于：通过所述天线的工作频率包括多种频率类型，可以使得所述集成有天线的波导光电探测器处理不同频率范围的信号。
还进一步可选地，所述光波导的类型包括：通道波导、脊波导、槽波导、扩散波导、光子晶体波导中的至少一种。其有益效果在于：通过所述光波导的类型包括多种类型，不同类型的波导的横截面积不同，以根据实际生产需求选择合适的光波导的类型。
可选地，所述光电探测器包括：金属光电探测器、半导体光电探测器、金属-半导体光电探测器、雪崩光电探测器中的至少一种。
可选地，所述光信号的波长范围包括：可见光波段、O波段、E波段、S波段、C波段、L波段、U波段、中红外波段中的至少一种。
第二方面，本发明提供一种集成有天线的波导光电探测器集成系统，包括：K个呈阵列排布的如第一方面中任一项实施例所述的集成有天线的波导光电探测器，所述K为大于或等于2的正整数。
其有益效果在于：所述波导光电探测器集成系统可以用于含有实时延迟线的相控阵雷达等应用，以完成对目标的搜索、跟踪和测量。
第三方面，本发明提供一种发送信号的方法，包括：应用于如第一方面中任一项实施例所述的集成有天线的波导光电探测器；所述光波导获取光载射频信号，并将所述光载射频信号传输给所述光电探测器；所述光电探测器接收来自所述光波导的所述光载射频信号，将所述光载射频信号转换为电射频信号，并将所述电射频信号传输至所述天线；所述天线获取来自所述光电探测器的所述电射频信号，将所述电射频信号发送出去。
其有益效果在于：本发明通过应用于如第一方面中任一项实施例所述的集成有天线的波导光电探测器，可以在保证信号发送效率的同时，提高了光学集成电路的集成度，以适应实际生产的需求。
可选地，所述发送信号的方法，还包括：获取所述电射频信号的频率范围，当所述电射频信号的频率范围不满足预设要求时，修改或调节所述天线和所述光电探测器中的至少一个的设计，以使得所述电射频信号的频率范围满足所述预设要求。其有益效果在于：通过修改或调节所述天线和所述光电探测器的设计以使得所述电射频信号的频率范围满足实际需求。
可选地，所述的发送信号的方法，包括：根据辐射方向图来调整所述天线的设计，以使得所述电射频信号的辐射方向满足所述预设要求。
附图说明
图1为本发明提供的一种集成有天线的波导光电探测器实施例的示意图；
图2为本发明提供的又一种集成有天线的波导光电探测器实施例的示意图；
图3为本发明提供的一种集成有天线的波导光电探测器集成系统实施例的示意图；
图4为本发明提供的一种发送信号的方法流程图；
图5为本发明提供的一种维尔瓦第天线的辐射方向图的仿真结果实施例示意图；
图6为本发明提供的一种光电探测器性能的仿真结果实施例示意图。
具体实施方式
下面结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。其中，在本申请实施例的描述中，以下实施例中所使用的术语只是为了描述特定实施例的目的，而并非旨在作为对本申请的限制。如在本申请的说明书和所附权利要求书中所使用的那样，单数表达形式“一种”、“该”、“上述”、“该”和“这一”旨在也包括例如“一个或多个”这种表达形式，除非其上下文中明确地有相反指示。还应当理解，在本申请以下各实施例中，“至少一个”、“一个或多个”是指一个或两个以上(包含两个)。术语“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系；例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B的情况，其中A、B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
在本说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“连接”包括直接连接和间接连接，除非另外说明。“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。
在本申请实施例中，“示例性地”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本申请实施例中被描述为“示例性地”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性地”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。
为了提高光学集成电路的集成度，本发明提供了一种集成有天线的波导光电探测器，如图1所示，所述集成有天线的波导光电探测器包括：光电探测器1、N条光波导(如图1中的光波导2所示)、天线3，所述N为正整数；一衬底上设有所述天线3，且所述天线3两臂的对称轴位置处设有馈电间隙，所述馈电间隙内设有所述光电探测器1；以及所述衬底上形成有N条所述光波导(如图1中的光波导2所示)，所述光电探测器1连接所述光波导2以获取所述光波导2上传来的光载射频信号。
在本实施例中，仅以所述光波导2为例来解释说明所述集成有天线的波导光电探测器的结构，并不以图1来限制所述光电探测器可以连接的光波导的数量，所述N根据实际需求来设定，所述N可以为1，也可以是很多。本发明通过所述天线3两臂的对称轴位置处设有馈电间隙，所述馈电间隙内设有所述光电探测器1，使得所述天线3和所述光电探测器1可集成在同一块芯片上，以提高所述光学集成电路的集成度。
在一种可能的实施例中，所述光电探测器与所述天线的工作频率一致。在本实施例中，通过所述光电探测器与所述天线的工作频率一致，有助于两者更好的协同工作，提高了所述集成有天线的波导光电探测器的工作效率。
在又一种可能的实施例中，所述天线包括：维尔瓦第天线、领结天线、槽缝天线和贴片天线中的至少一种。在本实施例中，通过所述天线具有多种设计方式，所以可以更改所述天线的类型以适应实际成产的需求，例如天线辐射面积的需求，例如图1所示的天线为维尔瓦第天线，图2所示的天线为领结天线，即图2中所示的所述集成有天线的波导光电探测器包括光电探测器1、光波导2和天线4，且所述天线4为领结天线。本实施例通过修改所述集成有天线的波导光电探测器中天线的类型来满足不同应用需求。
在还一种可能的实施例中，所述衬底包括：硅、绝缘体上硅、蓝宝石上硅、二氧化硅、磷化铟、铌酸锂、聚合物中的至少一种。在本实施例中，所述集成有天线的波导光电探测器可以集成在由上述任一材料或多种材料构成的衬底上，以适应实际生产的需求。
在一种可能的实施例中，所述天线的工作频率包括L波段频率范围、S波段频率范围、C波段频率范围、X波段频率范围、Ku波段频率范围、K波段频率范围、KA波段频率范围和太赫兹频率范围。X波段是指频率在8-12GHz的无线电波波段，在电磁波谱中属于微波。而在某些场合中，X波段的频率范围可以为7-11.2GHz。Ku波段的频率为12-18GHz频段。用于接收所述Ku波段电波的天线的口径较小，从而可有效地降低接收成本。太赫兹频率范围包含了频率为0.1到10THz的电磁波。太赫兹适用于从电磁辐射的毫米波波段的高频边缘(300GHz)和低频率的远红外光谱带边缘(3000GHz)之间的频率，对应的波长的辐射在该频带范围从0.03mm到3mm(或30～3000μm)。频率为1THz的光子能量只有约4毫电子伏特，因此不容易破坏被检测物质。在本实施例中，通过所述天线的工作频率包括多种频率类型，可以使得所述集成有天线的波导光电探测器处理不同频率范围的光信号。
在又一种可能的实施例中，所述光波导的类型包括：通道波导、脊波导、槽波导、扩散波导、光子晶体波导中的至少一种。其中，常用的光波导的类型为通道波导和脊波导，在本实施例中，通过所述光波导的类型包括多种类型，不同类型的波导的横截面积不同，以根据实际生产需求选择合适的光波导的类型。
在还一种可能的实施例中，所述光电探测器包括：金属光电探测器、半导体光电探测器、金属-半导体光电探测器、雪崩光电探测器中的至少一种。不同类型的光电探测器适用于不同的应用场合。
在一种可能的实施例中，所述光信号的波长范围包括：可见光波段、O波段、E波段、S波段、C波段、L波段、U波段、中红外波段中的至少一种。
基于上述任一项实施例所述的集成有天线的波导光电探测器，本发明提供一种集成有天线的波导光电探测器集成系统，包括：K个呈阵列排布的如上述任一项实施例所述的集成有天线的波导光电探测器，所述K为大于或等于2的正整数。
如图3所示，所述集成有天线的波导光电探测器集成系统包括：9个呈3×3矩阵排列的集成有天线的波导光电探测器100，因为所述K为大于或等于2的正整数，所以所述集成有天线的波导光电探测器集成系统至少包括2个所述集成有天线的波导光电探测器，且由所述集成有天线的波导光电探测器构成的阵列还可以是不规则形状。所述集成有天线的波导光电探测器集成系统可以用于相控阵雷达应用，以完成对目标的搜索、跟踪和测量。因为所述集成有天线的波导光电探测器提高光学集成器件的集成度，所以由所述集成有天线的波导光电探测器构成所述集成有天线的波导光电探测器集成系统也提高了光学集成器件及系统的集成度。
此外，基于上述任一项实施例所提供的所述集成有天线的波导光电探测器，本发明提供一种发送信号的方法，其方法流程如图4所示，具体步骤包括：
S401，所述光波导获取光载射频信号，并将所述光载射频信号传输给所述光电探测器。
S402，所述光电探测器接收来自所述光波导的所述光载射频信号，将所述光载射频信号转换为电射频信号，并将所述电射频信号传输至所述天线。
S403，所述天线获取来自所述光电探测器的所述电射频信号，将所述电射频信号发送出去。
本发明通过应用于如上述任一项实施例所述的集成有天线的波导光电探测器所提供的发送信号的方法，可以在保证信号发送效率的同时，提高了光学集成电路的集成度，以适应实际生产的需求。
在一种可能的实施例中，所述发送信号的方法，还包括：获取所述电射频信号的频率范围，当所述电射频信号的频率范围不满足预设要求时，修改或调节所述天线和所述光电探测器中的至少一个的设计，以使得所述电射频信号的频率范围满足所述预设要求。在本实施例中，通过修改所述天线的尺寸、所述光电探测器的RC参数、所述光电探测器的载流子渡越时间中的至少一个，使得所述电射频信号的频率范围适应实际需求。
在一种可能的实施例中，所述发送信号的方法，还包括：根据所需要的辐射方向图来调整天线的设计。示例性地，当所用天线为维尔瓦第天线，且所述天线的轮廓分别如图5中的(a)、(b)和(c)时，所述集成有天线的波导光电探测器的辐射方向图分别如图5中的(A)、(B)和(C)所示，图5中的“y”表示坐标轴中的y轴，图5中的“z”表示坐标轴中的z轴，x轴(图中未示出)的方向垂直于y轴和z轴所在的平面。在图5中的(A)、(B)和(C)中，实线部分表示y-z平面所对应的所述集成有天线的波导光电探测器的辐射方向图，虚线部分表示x-y平面所对应的所述集成有天线的波导光电探测器的辐射方向图。
本申请中所提到的所述光电探测器的具体结构以及所述光电探测器上的吸收材料不受限制。例如，所述吸收材料包括锗、硅、III-V材料、金属。光电探测器上用来连接所述天线的接点的具体位置不受限制。当所述光电探测器上的吸收材料为锗时，该光电探测器性能的仿真结果如图6所示。图6中的(a)的横轴表示光传播距离，单位是微米(um)，图6中的(a)的纵轴表示归一化总吸收效率，图6中的(a)显示了归一化总吸收效率随着吸收区域内光传播距离变化的变化情况；图6中的(b)的横轴表示波长，单位是纳米(nm)，图6中的(b)的纵轴表示光响应率，图6中的(b)显示了光响应率在O波段附近随着波长变化的变化情况。
以上所述，仅为本申请实施例的具体实施方式，但本申请实施例的保护范围并不局限于此，任何在本申请实施例揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本申请实施例的保护范围之内。因此，本申请实施例的保护范围应以该权利要求的保护范围为准。
Claims (12)
1.一种集成有天线的波导光电探测器，其特征在于，包括：光电探测器、N条光波导、天线，所述N为正整数；
一衬底上设有所述天线，且所述天线两臂的对称轴位置处设有馈电间隙，所述馈电间隙内设有所述光电探测器；
以及所述衬底上形成有N条所述光波导，所述光电探测器连接所述光波导以获取所述光波导上传输的光载射频信号。
2.根据权利要求1所述的集成有天线的波导光电探测器，其特征在于，所述光电探测器与所述天线的工作频率一致。
3.根据权利要求1所述的集成有天线的波导光电探测器，其特征在于，所述天线包括：维尔瓦第天线、领结天线、槽缝天线和贴片天线中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的集成有天线的波导光电探测器，其特征在于，所述衬底包括：硅、绝缘体上硅、蓝宝石上硅、二氧化硅、磷化铟、铌酸锂、聚合物中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的集成有天线的波导光电探测器，其特征在于，所述天线的工作频率范围包括L波段频率范围、S波段频率范围、C波段频率范围、X波段频率范围、Ku波段频率范围、K波段频率范围、KA波段频率范围和太赫兹频率范围。
6.根据权利要求1所述的集成有天线的波导光电探测器，其特征在于，所述光波导的类型包括：通道波导、脊波导、槽波导、扩散波导、光子晶体波导中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的集成有天线的波导光电探测器，其特征在于，所述光电探测器包括：金属光电探测器、半导体光电探测器、金属-半导体光电探测器、雪崩光电探测器中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的集成有天线的波导光电探测器，其特征在于，所述光信号的波长范围包括：可见光波段、O波段、E波段、S波段、C波段、L波段、U波段、中红外波段中的至少一种。
9.一种集成有天线的波导光电探测器集成系统，其特征在于，包括：K个呈阵列排布的如权利要求1至8中任一项所述的集成有天线的波导光电探测器，所述K为大于或等于2的正整数。
10.一种发送信号的方法，其特征在于，包括：应用于如权利要求1至8中任一项所述的集成有天线的波导光电探测器；
所述光波导获取光载射频信号，并将所述光载射频信号传输给所述光电探测器；
所述光电探测器接收来自所述光波导的所述光载射频信号，将所述光信号转换为电射频信号，并将所述电射频信号传输至所述天线；
所述天线获取来自所述光电探测器的所述电射频信号，并将所述电射频信号发送出去。
11.根据权利要求10所述的发送信号的方法，其特征在于，还包括：
获取所述电射频信号的频率范围，当所述电射频信号的频率范围不满足预设要求时，修改或调节所述天线和所述光电探测器中的至少一个的设计，以使得所述电射频信号的频率范围满足所述预设要求。
12.根据权利要求11所述的发送信号的方法，其特征在于，包括：
根据辐射方向图来调整所述天线的设计，以使得所述电射频信号的辐射方向满足所述预设要求。
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