CN117896007A - 集成阵列天线的硅光晶片 - Google Patents

Abstract

一种集成阵列天线的硅光晶片，包含分波多工器、阵列天线、光电二极体、放大器及电光调制器，其中分波多工器用于接收有多波长的光信号并将其分为多个分波光信号，或将多个分波光信号整合为一光信号；阵列天线，用于输出或接收射频信号；光电二极体信号连接于分波多工器，用于将分波光信号转为射频信号；放大器连接于光电二极体及天线，用于将来自光电二极体的射频信号放大后传输至天线，或电性连接于天线，用于将天线接收的射频信号放大；以及电光调制器信号连接于放大器及分波多工器，用于将放大的射频信号转为分波光信号输入分波多工器。

Description

集成阵列天线的硅光晶片

技术领域

本发明涉及一种光通信晶片，特别涉及一种集成阵列天线的硅光晶片。

背景技术

电磁波有一显著特点：频率越高，波长越短，越趋近直线传播(即绕射能力越差)。频率越高，在传播介质中的衰减也越大。

5G网络，特别是250GHz以上的高频段，最大的问题是传播距离大幅缩短，覆盖能力大幅减弱。使得覆盖同一区域，需要的5G基站数量，将大大超过4G网络所需要的基站数量。

按照当前移动通信网络发展趋势，网络容量难以支持当前流量的增长。而要提升网络容量，必须智能高效利用网络资源，针对业务和用户的个性进行智能优化，增强用户体验的问题。同时未来网络必然是一个多网并存的异构移动网络，要提升网络容量，必须解决高效管理各个网络，简化互操作。

发明内容

鉴于上述，本发明提供一种集成阵列天线的硅光晶片。

依据本发明一实施例的集成阵列天线的硅光晶片，包含第一分波多工器、第二分波多工器、阵列天线、多个光电二极体、多个第一放大器、多个第二放大器以及多个电光调制器，其中第一分波多工器用于接收具有多个波长的一第一光信号并将其分为多个第一分波光信号，第二分波多工器用于将多个第二分波光信号整合为一第二光信号进行输出；所述多个光电二极体信号连接于该第一分波多工器，用于将该多个第一分波光信号转为第一射频信号；所述多个第一放大器电性连接于光电二极体及阵列天线，用于将来自光电二极体的第一射频信号放大后通过阵列天线输出；所述多个第二放大器电性连接于阵列天线，用于通过阵列天线接收多个第二射频信号并将其放大；以及所述多个电光调制器信号连接于该多个第二放大器及该第二分波多工器，用于将放大的该多个第二射频信号转为该多个第二分波光信号并输入至该第二分波多工器。

藉由上述结构，本发明所揭示的集成阵列天线的硅光晶片，通过将阵列天线整合至具有电光调制器的硅光晶片中，用于将接收的光信号转为射频信号后通过阵列天线传输至其他天线，或将阵列天线接收的射频信号调制于光信号中通过光纤进行传输。如此能达成一种低功耗、小体积、高性能便于组织，以及可与基地台间互相传输信号的光传输装置。

以上的关于本发明内容的说明及以下的实施方式的说明系用以示范与解释本发明的精神与原理，并且为本发明的保护范围提供更进一步的解释。

附图说明

图1系依据本发明一实施例所绘示的集成阵列天线的硅光晶片的方块图。

图2系依据本发明另一实施例所绘示的集成阵列天线的硅光晶片的方块图。

【附图标记说明】

1,1’：硅光晶片

11：第一模组

110：第一端点

112a,112b,112c：第一分波光路

12：第二模组

120：第二端点

122a,122b,122c：第二分波光路

15：信号处理组件

Ant：天线

WDM1：第一分波多工器

WDM2：第二分波多工器

PD：光电二极体

Amp1：第一放大器

Amp2：第二放大器

EOM：电光调制器

BS：分光元件

TD：时间延迟元件

A-TIA：模拟转阻放大器

D-TIA：数字转阻放大器

PA：功率放大器

MCU：微控制器

LDD：激光二极体驱动器

LNA：低杂讯放大器

Dri：驱动装置

LSR：激光装置

MZM：光调制装置

DML：直接激光调制装置

具体实施方式

以下在实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使本领域普通技术人员了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所揭露的内容、保护范围及附图，本领域普通技术人员可轻易地理解本发明相关的目的及优点。以下的实施例系进一步详细说明本发明的观点，但非以任何观点限制本发明的范畴。

请参考图1，图1为依据本发明一实施例所绘示的集成阵列天线的硅光晶片的方块图。硅光晶片1可包含第一模组11及第二模组12，其中第一模组11的第一端点110用于接收第一光信号并通过多个天线Ant输出多个第一射频信号；第二模组12的多个天线Ant用于接收多个第二射频信号并通过第二端点120输出一第二光信号，上述第一模组11的天线Ant及第二模组12的天线Ant可共同合称为一组阵列天线Ant。硅光晶片1的第一模组11包含第一分波多工器WDM1、多个光电二极体PD、多个第一放大器Amp1以及多个天线Ant(后称为传输天线Ant)，其中所述第一分波多工器WDM1用于接收具有多个波长的第一光信号并将第一光信号分为多个第一分波光信号；所述光电二极体PD信号连接于第一分波多工器WDM1且用于将第一分波光信号转为第一射频信号；所述第一放大器Amp1电性连接于光电二极体PD及传输天线Ant且用于将来自光电二极体PD的第一射频信号放大后通过传输天线Ant输出；以及所述传输天线Ant包含多个天线且用于输出经放大的多个第一射频信号。硅光晶片1的第二模组12包含第二分波多工器WDM2、多个电光调制器EOM、多个第二放大器Amp2以及多个天线Ant(后称为接收天线Ant)，其中所述接收天线Ant用于接收多个第二射频信号；所述第二放大器Amp2电性连接于接收天线Ant，用于将接收天线Ant接收的第二射频信号放大；所述电光调制器EOM信号连接于第二放大器Amp2及第二分波多工器WDM2，用于将放大的第二射频信号转为第二分波光信号并输入至第二分波多工器WDM2；以及所述第二分波多工器WDM2用于将多个第二分波光信号整合为一第二光信号进行输出。

通过上述配置，第一分波多工器WDM1可接收具有不同波长的第一光信号，且该两不同波长的光信号可分别为数字信号及模拟信号或同为数字信号或模拟信号，举例来说，第一光信号可由波长为1510纳米的数字信号及波长为1490纳米的模拟信号组成。因此第一分波多工器WDM1可基于波长差异将第一光信号分离为两个第一分波光信号(例如，一者为波长1510nm的数字信号而另一者为波长1490nm的模拟信号)，使得第一光信号120中涵盖带有各种不同资讯的信号，有效提升信号传输效率。此外，所述具有不同波长的第一光信号所分离出的信号或可以皆为数字信号或皆为模拟信号。图1示例性地绘示第一分波多工器WDM1接收具有两个不同波长的第一光信号并以两路分别输出，然于其他实施例中，第一分波多工器WDM1可以接收具有大于两个的不同波长的第一光信号并以对应数量的光路分别输出，其中所述具有大于两个的不同波长的第一光信号所分离出来的信号可以为数字信号或/及模拟信号的任意组合。

承上所述，多个第一分波光信号可通过光纤传输至光电二极体PD后被转为不同的第一射频信号。虽然于图1中没有以符号标示两个第一射频信号的不同，但每道第一射频信号应承载上游的第一分波光信号的信息，举例来说若上游的第一分波光信号为数字信号，对应下游的第一射频信号自然也是数字信号，此部分将于本发明另一实施例更详细的描述。当第一射频信号经过第一放大器放大后可通过传输天线Ant向外传输，至此硅光晶片1的第一模组11的结构及信号路径被完整描述。

与第一模组11相反，第二模组12的接收天线Ant接收第二射频信号后传输至第二放大器Amp2，放大后的第二射频信号可传输至电光调制器EOM对光信号进行调制，进一步产生各自具有不同波长的多个第二分波光信号，最后于第二分波多工器WDM2整合为一第二光信号以光纤向外传输。与第一模组11类似地，接收天线Ant可接收各种射频信号，例如数字信号及模拟信号，而每个电光调制器EOM所产生的每个第二分波光信号可具有不同波长(例如波长为1470nm及1500nm)，使得整合在第二分波多工器时不会彼此产生干扰。此外，所述各自具有不同波长的第二分波光信号可以皆为数字信号或皆为模拟信号。图1示例性地绘示第二分波多工器WDM2接收具有两个不同波长的第二分波光信号并整合为一第二光信号输出，然于其他实施例中，第二分波多工器WDM2可以接收具有大于两个的不同波长的多个第二分波光信号，其中所述具有大于两个的不同波长的多个第二分波光信号可以为数字信号或/及模拟信号的任意组合。

请参照本发明图2，系依据本发明另一实施例所绘示的集成阵列天线的硅光晶片的方块图。在本例中，硅光晶片1’包含如图1实施例所示的第一分波多工器WDM1、第二分波多工器WDM2、光电二极体PD、电光调制器、放大器(含第一放大器Amp1及第二放大器Amp2)以及阵列天线Ant，且上述元件的连结关系也与图1实施例所描述的相同，唯有本例的特定元件如放大器及电光调制器等被更具体的界定，请参考以下描述。本例的放大器可为各种类型的放大器，举例来说，第一放大器可包含转阻放大器(trans-impedance amplifier)及功率放大器PA，转阻放大器连接于光电二极体PD，功率放大器PA则连接于转阻放大器及传输天线Ant，其中该转阻放大器可包含数字转阻放大器D-TIA及模拟转阻放大器A-TIA以对应不同信号使用，即数字转阻放大器D-TIA可对应数字信号且模拟转阻放大器A-TIA可对应模拟信号。需要注意的是，图2仅示例性地绘示D-TIA及A-TIA的设置位置，于其他实施例中，D-TIA及A-TIA可依所对应的通道预计传送的信号类型而对应调整。另外，第二放大器可包含低杂讯放大器LNA以提升第二射频信号的讯杂比。

在本例的硅光晶片1’中，于第一分波多工器WDM1与光电二极体PD之间更可设有分光元件BS及时间延迟元件TD，其中该分光元件BS信号连接于第一分波多工器WDM1且时间延迟元件TD信号连接于分光元件BS，两者用于将每道第一分波光信号进一步分流并调控其相位延迟。分光元件BS例如为分光镜，延迟元件TD例如为具有各种折射率的介质(如晶体、玻璃或光纤)或各式波片(wave plate)如四分之一波片或半波片等。特别来说，分光元件BS及时间延迟元件TD可选择性设置。

在本例中，硅光晶片1’更可包含一讯号处理组件15，连接于光电二极体PD中的至少一者、电光调制器中的至少一者及阵列天线Ant，其中讯号处理组件15包含一微控制器MCU及一激光二极体驱动器LDD，用于对该多个第一射频信号中的至少一者或该多个第二射频信号中的至少一者进行信号处理。进一步，受到讯号处理组件15进行信号处理的该多个第一射频信号中的该至少一者或该多个第二射频信号中的该至少一者可为数字信号。特别来说，讯号处理组件15可选择性设置。

在本例中，硅光晶片1’的该多个电光调制器可包含激光装置LSR、驱动装置Dri以及光调制装置MZM，其中所述激光装置LSR用于产生一初始光信号；所述驱动装置Dri连接于第二放大器Amp2且用于接收第二调制信号并输出一光调制信号；以及所述光调制装置MZM信号连接于该激光装置LSR及该驱动装置Dri，用于使用该光调制信号调制该初始光信号后输出第二分波光信号。此外，硅光晶片1’的该多个电光调制器也可包含直接激光调制装置DML，所述直接激光调制装置DML信号连接于该激光二极体驱动器LDD且用于直接受到该激光二极体驱动器LDD调制而产生第二分波光信号。

在本例中，具有多个波长的第一光信号经过第一分波多工器WDM1被分为三道第一分波光信号，分别行经第一分波光路112a、第一分波光路112b及第一分波光路112c。举例来说，行经第一分波光路112a的光信号为波长1530nm的数字信号、行经第一分波光路112b者则为波长1510nm的模拟信号，且行经第一分波光路112c者为波长1490nm的数字信号。以下将针对此举例的三道信号来描述本实施例的各种组合及变化。

请参照图2的第一分波光路112a，信号经过分光元件BS后被分为两道信号并连接至时间延迟元件TD以调控其相位，输入至光电二极体PD后产生多道第一射频信号再输入至模拟转阻放大器A-TIA以及功率放大器PA进行放大，第一射频信号最终通过传输天线Ant向外传输。

如具本领域通常知识者能理解的，硅光晶片1’的传输天线Ant所输出的第一射频信号可为另一个与硅光晶片1’具有相同架构的硅光晶片的接收天线Ant所接收的第二射频信号。第二模组的接收天线Ant接收第二射频信号后通过低杂讯放大器LNA进行放大，再传输至一驱动装置Dri。驱动装置Dri可基于第二射频信号产生一光调制信号。而该光调制信号可作用于一光调制装置MZM中，使得一激光装置LSR对光调制装置MZM输入的一初始光信号被光调制信号所调制以产生第二分波光信号而行经第二分波光路122a。此外作为补充性说明，光调制装置MZM属于一种马赫－曾德尔调制器(Mach-Zehnder modulator)，系利用特殊材料如铌酸锂晶体等的特殊光电性质来对光信号进行调制的装置，在此不赘述。

请参照图2的第一分波光路112b，在此信号路径中(从第一分波光路112b至第二分波光路122b)，可以看到与第一分波光信号的路径基本相同。主要的差别在于第二分波光信号是不同于第一分波光信号的模拟信号，因此对应到模拟转阻放大器A-TIA，其余重复叙述在此将被省略。

请参照图2的第一分波光路112c，第一分波光信号可无须经过分光元件BS或时间延迟元件TD便传输至光电二极体PD产生第一射频信号，之后传输至对应的数字转阻放大器D-TIA。与上述不同的，第一射频信号可通过一讯号处理组件15传输至阵列天线Ant。于第二模组中，阵列天线Ant接收的第二射频信号可通过讯号处理组件15传输至一直接激光调制装置DML，其中该讯号处理组件15的激光二极体驱动器LDD可用于处理该第二射频信号以满足对直接激光调制装置DML的调制，使其输出第二分波光信号。

至此，第二模组的分波多工器WDM(或第二分波多工器)可整合来自不同第二分波光路122a、122b及122c的不同波长的第二分波光信号，产生一第二光信号并通过第二端点120传输至其他模组或系统。如此一来，对于需要长距离通信(如塔上或室外)的需求可以通过光纤传输来满足，对于面积范围较广(如室内或一定范围)的通信需求则可通过阵列天线来传输。

藉由上述结构，本发明所揭示的集成阵列天线的硅光晶片，通过将阵列天线整合至具有电光调制器的硅光晶片中，用于将接收的光信号转为射频信号后通过阵列天线传输至其他天线，或将阵列天线接收的射频信号调制于光信号中通过光纤进行传输。如此能达成一种低功耗、小体积、高性能便于组织，以及可与基地台间互相传输信号的光传输装置。除了基本的一收一发形式以外，本发明的一些实施例所提供的集成阵列天线的硅光晶片可通过分波多工器(Wavelength Division Multiplexing,WDM)、分光元件、阵列天线以及多通道的电光调制器实现多收多发的形式，更可灵活搭配数字与模拟信号，增加应用上的弹性。在组网复杂且终端体积、功耗小的情况下，集成数字和模拟信号于一体式ROF光模块，能省去一般远程天线单元(RAU)的数字转模拟(DAC)调制部分。另外，本发明的一些实施例所提供的集成阵列天线的硅光晶片可结合于分布式天线系统(DAS)中，通过多种信号传输媒介连接到多种信号源，组建而成的移动通信网络，且搭配天线电路直接通过射频信号(RF)传输与调制可有效提高调制线性度与带宽，体现其组网灵活、减小终端体积，高效利用网络资源的优势。

Claims (7)

1.一种集成阵列天线的硅光晶片，其特征在于，包含：

一第一分波多工器，用于接收具有多个波长的一第一光信号并将该第一光信号分为多个第一分波光信号；

一第二分波多工器，用于将多个第二分波光信号整合为一第二光信号进行输出；

一组阵列天线，包含多个天线；

多个光电二极体，信号连接于该第一分波多工器，用于将该多个第一分波光信号转为多个第一射频信号；

多个第一放大器，电性连接于该多个光电二极体及该组阵列天线，用于将来自该多个光电二极体的该多个第一射频信号放大后通过该组阵列天线输出；

多个第二放大器，电性连接于该组阵列天线，用于通过该组阵列天线接收多个第二射频信号并将该多个第二射频信号放大；以及

多个电光调制器，信号连接于该多个第二放大器及该第二分波多工器，用于将放大的该多个第二射频信号转为该多个第二分波光信号并输入至该第二分波多工器。

2.如权利要求1所述的集成阵列天线的硅光晶片，其特征在于，该多个第一放大器包含多个转阻放大器及多个功率放大器，该多个转阻放大器连接于该多个光电二极体，该多个功率放大器连接于该多个转阻放大器及该组阵列天线，且该多个第二放大器包含多个低杂讯放大器，其中该多个转阻放大器包含数字转阻放大器及模拟转阻放大器。

3.如权利要求1所述的集成阵列天线的硅光晶片，其特征在于，更包含：

一分光元件，信号连接于该第一分波多工器，用于将该多个第一分波光信号的其中一者进行分光；以及

一时间延迟元件，信号连接于该分光元件，用于调整分光后的该第一分波光信号的一相位。

4.如权利要求1所述的集成阵列天线的硅光晶片，其特征在于，更包含一讯号处理组件，连接于该多个光电二极体中的至少一者、该多个电光调制器中的至少一者及该组阵列天线，其中该讯号处理组件包含一微控制器及一激光二极体驱动器，且用于对该多个第一射频信号中的至少一者或该多个第二射频信号中的至少一者进行讯号处理。

5.如权利要求4所述的集成阵列天线的硅光晶片，其特征在于，该多个电光调制器中的该至少一者各包含：

一直接激光调制装置，信号连接于该激光二极体驱动器，用于直接受到该激光二极体驱动器调制而产生该多个第二分波光信号的一者。

6.如权利要求4所述的集成阵列天线的硅光晶片，其特征在于，该多个第一射频信号中的该至少一者或该多个第二射频信号中的该至少一者为数字信号。

7.如权利要求1所述的集成阵列天线的硅光晶片，其特征在于，该多个电光调制器的至少一者包含：

一激光装置，用于产生一初始光信号；

一驱动装置，连接于该多个第二放大器的一者，用于接收该多个第二射频信号的一者并输出一光调制信号；以及

一光调制装置，信号连接于该激光装置及该驱动装置，用于使用该光调制信号调制该初始光信号后输出该多个第二分波光信号的一者。