CN114070414A - 一种多通道射频光接收装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多通道射频光接收装置，该装置包括封装壳体，在所述封装壳体中设置有空间光路单元、光电转换单元、射频展开单元和射频处理单元。本发明通过集成解波分复用器与、多个光电探测器芯片和多个射频处理单元，实现了单路光载射频信号输入转多路光载射频信号输出，光链路结构精简，同时也实现了高耦合效率的光传输与低损耗、高隔离度的射频传输。本发明将解波分复用器、光电探测器芯片、微波电路及芯片等元器件、部件在同一壳体内气密性封装，具有尺寸小、集成度高、可靠性高的特点。

Description

一种多通道射频光接收装置
技术领域
本发明属于微波光子技术领域，尤其涉及一种多通道射频光接收装置。
背景技术
目前，传统的射频光接收模块由分离的波分复用器和高速光电探测器模块组成，信号光先经过波分复用器解波后再输入到光电探测模块进行光电转换。
这种分离式射频光接收模块尺寸大、链路复杂，难以完成密集装配。此外，分离式接收模块中，模块间通过光纤连接器对接。通道数越多，连接点越多，这些不连续点在严苛的使用环境下将成为风险点。
传统的射频光接收模块传输通道物理间距仅为0.5nm，通道间射频隔离度仅有20dBc，容易存在射频串扰。
因此，为提升装配空间利用率，同时提高射频光接收模块可靠性，需研制高集成度的多路并行射频光接收模块。
发明内容
本发明的目的在于，为克服现有技术缺陷，提供了一种多通道射频光接收装置,通过集成解波分复用器与多个光电探测器芯片，实现了单路光载射频信号输入转多路光载射频信号输出，光链路结构精简，同时也实现了高耦合效率的光传输与低损耗、高隔离度的射频传输。
本发明目的通过下述技术方案来实现：
一种多通道射频光接收装置，所述装置包括封装壳体，在所述封装壳体中设置有空间光路单元、光电转换单元、射频展开单元和射频处理单元，所述封装壳体开设有用于装配电子器件和光窗的开孔；
所述空间光路单元包括设置于光窗的准直器组件，所述准直器组件的出射光口处设置有将光路分为两路的分光棱镜，所述分光棱镜使一路光路输入监测探测器组件，另一路光路输入解波分复用器，解波分复用器的输出端还设置有耦合透镜；
所述光电转换单元包括设置于能够接收耦合透镜会聚的光信号处的光电探测器组件，所述光电探测器组件包括探测器载体和设置于探测器载体朝向耦合透镜一面上的光电探测器芯片，所述光电探测器芯片数量不少于解波分复用器输出的光路数量，所述光电探测器芯片通过射频信号传输波导与所述射频展开单元的微波印制电路片连接；
所述微波印制电路片包括射频传输电路，所述射频传输电路的各通道的间距大于相邻的光电探测器输出端间距；
所述射频处理单元包括与所述射频传输电路连接的射频芯片和无源电路，所述射频处理单元包含多个通道，通道数不少于所述光电探测器芯片数量，相邻通道之间采用金属隔腔隔离。
进一步的，所述监测探测器组件包括监测探测器和载板，所述载板使所述监测探测器和输入的光路保持水平。
进一步的，所述封装壳体内安装解波分复用器的位置设有凸台阵列，所述解波分复用器底部设有与所述凸台阵列配合的凹槽，所述解波分复用器与所述凸台阵列嵌合并粘接。
进一步的，所述封装壳体内设置有用于使所述光电转换单元、所述射频展开单元和所述射频处理单元中的射频器件处于同一平面的凸台与腔槽。
进一步的，所述探测器载体的三个相邻面设置有电路图形，所述电路图形包括用于贴装光电探测器芯片的金属焊盘、用于引线键合的焊盘、用于射频信号传输的射频信号传输波导和用于与所述射频展开单元阻抗匹配的射频输出端口。
进一步的，所述射频信号传输波导之间设置有射频屏蔽孔。
进一步的，所述微波印制电路片的各条传输路线之间设置有射频屏蔽孔。
进一步的，所述微波印制电路片内埋或表贴有无源器件。
进一步的，所述电子器件包括设置于与光窗同一平面的馈电绝缘子和设置于距离所述射频芯片最近一面的射频绝缘子。
进一步的，所述封装壳体的材料包括柯伐合金、10号钢或硅铝合金。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明通过集成解波分复用器与、多个光电探测器芯片和多个射频处理单元，实现了单路光载射频信号输入转多路光载射频信号输出，光链路结构精简。
(2)本发明实现了高耦合效率的光传输与低损耗、高隔离度的射频传输。
(3)本发明将解波分复用器、光电探测器芯片、微波电路及芯片等元器件、部件在同一壳体内气密性封装，具有尺寸小、集成度高、可靠性高的优点。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种多通道射频光接收装置的结构示意图；
图2是本发明多通道射频光接收装置的凸台阵列示意图。
附图说明：1-封装壳体，2-馈电绝缘子，3-射频绝缘子，4-光窗，5-准直器组件，6-分光棱镜，7-监测探测器组件，8-解波分复用器，9-耦合透镜，10-光电探测器芯片，11-探测器载体，12-微波印制电路片，13-射频芯片，14-射频信号传输波导。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
分离式射频光接收模块尺寸大、链路复杂，难以完成密集装配。此外，分离式接收模块中，模块间通过光纤连接器对接。通道数越多，连接点越多，这些不连续点在严苛的使用环境下将成为风险点。因此，为提升装配空间利用率，同时提高模块可靠性，需研制高集成度的多路并行射频光接收模块。
为了解决上述技术问题，提出了本发明一种多通道射频光接收装置的下述各个实施例。
参照图1，如图1所示是本实施例提供的一种多通道射频光接收装置的结构示意图。该装置具体包括封装壳体1，在封装壳体1中设置有空间光路单元、光电转换单元、射频展开单元和射频处理单元。
本实施例的封装壳体1外形尺寸为40mm×40mm×7mm。
具体地，在本实施例中，封装壳体1采用柯伐合金，封装壳体1表面局部镀金。在封装壳体1开设有用于装配馈电绝缘子2、射频绝缘子3和光窗4的开孔。
作为一种实施方式，封装壳体1内有定位线，作为封装内元器件、部件的装配参照。
作为一种实施方式，封装壳体1内设置有用于使光电转换单元、射频展开单元和射频处理单元中的射频器件处于同一平面的凸台与腔槽，提升了装配便利性并减小射频传输损耗。
作为一种实施方式，封装壳体1还包括相应的盖板，盖板在整个装置装配、调测完成后，焊接至封装壳体1上，实现整个多通道射频光接收装置的气密性。
具体地，空间光路单元包括设置于光窗4的准直器组件5，准直器组件5的准直器套筒与准直器使用激光点焊方法组装，并装配至金属壳体已完成光窗4装配的光开孔上。准直器组件5的出射光口处设置有将光路分为两路的分光棱镜6，分光棱镜6的一路出光口与监测探测器组件7有源耦合，使一路光路输入监测探测器组件7，分光棱镜6的另一路出光口与解波分复用器8的入光口有源耦合，使另一路光路输入解波分复用器8，解波分复用器8的输出端还设置有耦合透镜9。
作为一种实施方式，监测探测器组件7包括监测探测器和载板，载板使监测探测器和输入的光路保持水平。
作为一种实施方式，封装壳体1内安装解波分复用器8的位置设有凸台阵列，参照图2，如图2所示是本实施例提供的凸台阵列示意图，解波分复用器8底部设有与凸台阵列配合的凹槽，解波分复用器8与凸台阵列嵌合并粘接。一般地，由于解波分复用器8重量较轻，采用螺钉等方式固定时，容易在受到很小的力时就发生位移，使得出射光无法对准耦合透镜9，因此本实施例采用粘接方式，且在常规粘接方式基础上，本实施例将解波分复用器8底部设计有若干凹槽，并在封装壳体1内安装解波分复用器8的位置设计对应的凸台阵列，在若干凸台上涂上粘胶，将解波分复用器8对齐凸台进行安装，既可以使解波分复用器8的安装位置更加准确，又可以增加解波分复用器8的粘胶接触面积，以增加解波分复用器8和封装壳体1之间的填胶量，进一步提升解波分复用器8的贴装强度。
作为一种实施方式，解波分复用器8包含六路出光，出光口处装配有六只耦合透镜9以实现光路会聚。
光电转换单元包括设置于能够接收耦合透镜9会聚的光信号处的光电探测器组件，光电探测器组件包括探测器载体11和设置于探测器载体11朝向耦合透镜9一面上的光电探测器芯片10，光电探测器芯片10数量不少于解波分复用器8输出的光路数量，光电探测器芯片10通过射频信号传输波导14与射频展开单元的微波印制电路片12连接。光电探测器芯片10输出端与射频信号传输波导14连接，射频信号传输波导14由朝向耦合透镜9一面紧贴探测器载体11延伸至探测器载体11顶部并与微波印制电路片12连接，光电转换部分在接收到空间光路部分经耦合透镜9会聚的光信号后，经由高速探测器组件完成光电转换，使通过紧贴在探测器载体11两个表面的射频信号传输波导14使射频信号传输方向由垂直转为水平方向。
作为一种实施方式，探测器载体11为氮化铝陶瓷块体，使用薄膜工艺在相邻的三个面上制备电路图形，前述相邻的三个面分别为面向耦合透镜8的一面、面向耦合透镜8的一面对立的一面和顶部。任意相邻的两个面的夹角略大于90°，电路图形材料为金。电路图形包括光电探测器芯片10和引线键合的贴装焊盘、用于引线键合的焊盘、用于射频信号传输的射频信号传输波导和用于与所述射频展开单元阻抗匹配的射频输出端口，以及与贴装焊盘相连的射频传输线。探测器载体11上的射频传输线间设置金属化孔，以提高六个通道之间的隔离度。光电探测器芯片10平贴至位于探测器载体11的贴装焊盘上，完成引线键合后，将探测器载体11旋转90°装配至封装壳体1的内腔表面，使光电探测器芯片10的感光面面向耦合透镜9，并完成六只光电探测器芯片10与解波分复用器8的六路出光的有源耦合。本实施例提供的光电探测器芯片10贴装方式更容易装配光电探测器芯片10前的耦合透镜8。
射频展开单元的微波印制电路片12可使用单层或多层微波印制电路片12、低温共烧陶瓷(LTCC)电路片。射频展开电路可根据射频接口的需求，实现射频信号在空间间距上展开，保障信号的高隔离度；通过多层电路设计，射频展开电路可通过内、外部走线实现射频传输、供电等功能；通过射频仿真，射频展开电路可实现射频信号的低损耗传输；通过射频屏蔽孔的设计，射频展开电路可实现较好的通道间隔离度；通过无源器件内埋或表贴，射频展开电路可实现射频信号的功率分配。射频展开电路的目的是匹配后端微波处理通道的通道间隔要求，以便在通道间隔之间增加隔离腔，保证隔离度。
射频处理单元包括与微波印制电路片12的射频传输电路连接的射频芯片13以及无源电路，实现对经光电转换单元输出的射频信号处理的作用。射频处理单元包含多个通道，通道数不少于所述光电探测器芯片10的数量，相邻通道之间采用金属隔腔隔离。
具体地，微波印制电路片12表面及内层有用于射频传输电路的金属布线，用于实现射频传输并将探测器载体11输出的射频通道间物理间距由2mm展开至5.2mm。射频展开电路片的射频通道间设置有金属化通孔，以提高六个通道之间的隔离度。六组射频处理部分由射频传输线与射频芯片13组成，装配至封装壳体1的六个金属通道中。电源控制微模块(图中未示出)使用小型化混合集成工艺制成，装配至封装壳体1内腔，实现对射频链路、光电探测器芯片10的供电。
作为一种实施方式，本实施例的探测器载体11、射频展开电路片、射频处理部分和电源控制微模块之间使用引线键合工艺实现互联。
作为一种实施方式，本实施例提供的六通道射频光接收装置，将输入单路包含6路合波的光载射频信号，波分解复用分为6路光载射频信号(波长分别为1271、1291、1311、1331、1351、1371nm)，通过探测器芯片进行光电转化、射频物理空间展开及射频处理，实现了传输通道物理间距5.2mm、频率2～18GHz、光电转换效率大于0.8A/W、隔离度大于50dBc的六通道射频信号输出。而传统的射频光接收技术方案中传输通道物理间距仅为0.5nm，隔离度仅有20dBc。
射频展开部分及射频处理部分，在接收光电转换部分传输过来的多路射频信号后，经由射频展开电路输出在空间上具有一定距离的多路射频信号，并经过传输线、射频芯片13实现射频处理与增益控制，最终输出多路射频信号。
本实施例为六通道射频光接收模块，具体通道数可根据设计需求增加或减少。
本实施例提供的多通道射频光接收装置通过集成解波分复用器与多个光电探测器芯片，实现了单路光载射频信号输入转多路光载射频信号输出，光链路结构精简。
本实施例提供的多通道射频光接收装置实现了高耦合效率的光传输与低损耗、高隔离度的射频传输。
本实施例提供的多通道射频光接收装置将解波分复用器、光电探测器芯片、微波电路及芯片等元器件、部件在同一壳体内气密性封装，具有尺寸小、集成度高、可靠性高的优点。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多通道射频光接收装置，所述装置包括封装壳体，在所述封装壳体中设置有空间光路单元、光电转换单元、射频展开单元和射频处理单元，其特征在于，所述封装壳体开设有用于装配电子器件和光窗的开孔；
所述空间光路单元包括设置于光窗的准直器组件，所述准直器组件的出射光口处设置有将光路分为两路的分光棱镜，所述分光棱镜使一路光路输入监测探测器组件，另一路光路输入解波分复用器，解波分复用器的输出端还设置有耦合透镜；
所述光电转换单元包括设置于能够接收耦合透镜会聚的光信号处的光电探测器组件，所述光电探测器组件包括探测器载体和设置于探测器载体朝向耦合透镜一面上的光电探测器芯片，所述光电探测器芯片数量不少于解波分复用器输出的光路数量，所述光电探测器芯片通过射频信号传输波导与所述射频展开单元的微波印制电路片连接；
所述微波印制电路片包括射频传输电路，所述射频传输电路的各通道的间距大于相邻的光电探测器输出端间距；
所述射频处理单元包括与所述射频传输电路连接的射频芯片和无源电路，所述射频处理单元包含多个通道，通道数不少于所述光电探测器芯片数量，相邻通道之间采用金属隔腔隔离。
2.如权利要求1所述的一种多通道射频光接收装置，其特征在于，所述监测探测器组件包括监测探测器和载板，所述载板使所述监测探测器和输入的光路保持水平。
3.如权利要求1所述的一种多通道射频光接收装置，其特征在于，所述封装壳体内安装解波分复用器的位置设有凸台阵列，所述解波分复用器底部设有与所述凸台阵列配合的凹槽，所述解波分复用器与所述凸台阵列嵌合并粘接。
4.如权利要求1所述的一种多通道射频光接收装置，其特征在于，所述封装壳体内设置有用于使所述光电转换单元、所述射频展开单元和所述射频处理单元中的射频器件处于同一平面的凸台与腔槽。
5.如权利要求1所述的一种多通道射频光接收装置，其特征在于，所述探测器载体的三个相邻面设置有电路图形，所述电路图形包括用于贴装光电探测器芯片的金属焊盘、用于引线键合的焊盘、用于射频信号传输的射频信号传输波导和用于与所述射频展开单元阻抗匹配的射频输出端口。
6.如权利要求5所述的一种多通道射频光接收装置，其特征在于，所述射频信号传输波导之间设置有射频屏蔽孔。
7.如权利要求1所述的一种多通道射频光接收装置，其特征在于，所述微波印制电路片的各条传输路线之间设置有射频屏蔽孔。
8.如权利要求1所述的一种多通道射频光接收装置，其特征在于，所述微波印制电路片内埋或表贴有无源器件。
9.如权利要求1所述的一种多通道射频光接收装置，其特征在于，所述电子器件包括设置于与光窗同一平面的馈电绝缘子和设置于距离所述射频芯片最近一面的射频绝缘子。
10.如权利要求1所述的一种多通道射频光接收装置，其特征在于，所述封装壳体的材料包括柯伐合金、10号钢或硅铝合金。
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