CN115133994B - 一种基于光电混合集成的4通道直接调制电光转换组件 - Google Patents

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通道直接调制电光转换组件。包含微波单元、激光器单元、空间光路单元、温度控制单元和控制电路单元;微波单元：包括Bias Tee、LNA低噪声放大器和数控衰减器；激光器单元：包括激光器芯片和背光探测器芯片；空间光路单元：包括光纤、准直透镜和聚焦透镜；温度控制单元：包括半导体制冷器TEC和NTC热敏电阻，用于对激光器单元进行稳定温度控制；控制电路单元：包含温度控制器和激光控制器，本方案在同一壳体内实现激光器单元、空间光路单元、微波单元和控制电路单元4通道混合集成。实现了气密性封装，具有良好通道隔离度，体积小，功耗低，大大提高了***的集成度。

Description

一种基于光电混合集成的4通道直接调制电光转换组件

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通道直接调制电光转换组件。

背景技术

在过去几十年中，射频通信技术飞速发展，然而由于射频信号的频段特性，使得在长距离传输的应用场景中，基于低衰减、抗干扰的射频线缆的直接传输方法成本很高；得益于光纤技术的日益成熟，光载射频通信技术(Radio over Fiber,RoF)得到了广泛的应用，该技术是通过将高速射频模拟信号调制到光信号上的方法，以实现对射频信号的高带宽、低损耗和远距离传输。在光载射频通信***中，电光转换模块作为光源提供光载波信号，并将射频信号调制到光载波信号上，是***中非常重要的组成部分；常见电光转换模块的实现方法分为以激光器为核心的直接调制方式或者以激光器和调制器组合的外调调制方式；其中直接调制激光器的由于体积小，工艺简单，成本低，易于集成等优点，得到了广泛关注；

然而，随着光载射频通信***集成度和功能要求在不断提高和演进，对电光转换模块也提出了高集成度、功率可控等更多要求，目前，采用的微波组件、光信号组件、控制组件分离，并通过射频电缆、光纤互连的方式已经无法达到用户小型化的需求。

在中国专利CN109361463A公开了一种多通道ROF***及实现方法，八路射频信号分别输入至***的八个电光转换插盒，其中光发射插盒包含了低噪放、数控衰减器、检波器、激光器和MCU控制及LD驱动电路等；然而由于光电器件如激光器、微波模块以及PCB的加工工艺不同，该***由电光组件、微波组件与控制电路组件等分立组件搭建，通过光纤、射频电缆、导线等实现电气连接与信号传输。此类***封装体积大、重量大，无法满足高集成度产品设计的需求。

发明内容

本方案提供一种基于光电混合集成的4通道直接调制电光转换组件，提升组件的集成度。

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通道直接调制电光转换组件，包含微波单元、激光器单元、空间光路单元、温度控制单元和控制电路单元;

微波单元：包括Bias Tee、LNA低噪声放大器和数控衰减器；

微波单元通过微带线连接激光器单元，用于将输入微波信号进行放大、滤波处理，给激光器单元提供微波信号；

Bias-Tee与LNA低噪声放大器连接，实现中频放大；

数控衰减器，用于具有增益设定和控制功能要求的微波通信***中，负责均衡不同信道的增益，

激光器单元：包括激光器芯片和背光探测器芯片；

激光器单元连接空间光路单元，激光器单元直接将微波信号加载到光信号中实现电光转换，直接对光信号进行调制后输出；

空间光路单元：包括光纤、准直透镜和聚焦透镜；

通过准直透镜，将LD的发散光转换成准直光线，再通过聚焦透镜将准直的光聚焦到一点，通过聚焦透镜，将聚焦的光耦合到光纤一端内部；

温度控制单元：包括半导体制冷器TEC和NTC热敏电阻，用于对激光器单元进行稳定温度控制；

控制电路单元：包含温度控制器和激光控制器，温度控制器与半导体制冷器、热敏电阻连接，实现对温度控制；激光控制器与激光器芯片、背光探测器连接，实现对激光器输出功率控制；

还包括封装壳体，将微波单元、激光器单元、空间光路单元和控制电路单元一体化封装集成，同时多通道集成之间满足通道隔离度要求，屏蔽壳体对外接口包含微波输入接口、光信号输出接口、低频馈电和控制接口。

本方案的原理：控制电路单元提供驱动电流使激光器芯片产生电光转换的光载波信号，并将光载波信号分别传输给聚焦透镜和背光探测器芯片；背光探测器芯片用于监测激光器输出光功率，反馈监测到光功率强度，进而向激光芯片单元反馈。

激光器单元接收到之后，通过射频微带输入到LNA将信号放大，放大的信号先后流经衰减器和Bisa Tee，通过Bisa Tee之后，输入到LD芯片；然后LD芯片通过电光效应，将接收到的电信号通过LD芯片发光，将电信号传载出去。

本方案的效果：在同一壳体内实现激光器单元、空间光路单元、微波单元和控制电路单元4通道混合集成。实现了气密性封装，具有良好通道隔离度，体积小，功耗低，大大提高了***的集成度。

进一步，壳体内的腔体结构设计成四通道，每个通道独立空间，加电引线端子设计成“H型”结构，从底部通过玻璃烧结工艺引出；上层采用盖板激光焊接。该壳体的结构上实现空间独立，保证良好的通道隔离度；保证了产品气密性。

进一步，所述封装壳体采用金属化屏蔽壳体。壳体结构用于屏蔽外界、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，所述激光器芯片不限于FB、DFB和VCSEL芯片。芯片选择范围广，转换组件应用门槛低，适用范围广。

进一步，所述背光探测器芯片采用PIN型探测器芯片与控制电路连接。PIN芯片，应用场景不局限于常规封装形式，可应用于各类曲面、柔性器件等复杂环境使用。

进一步，所述NTC热敏电阻和LD芯片贴装同一基板上。保证LD芯片工作的温度在一个固定范围内。

进一步，所述温度控制单元装配在激光器芯片下方。半导体制冷器接收控制电路单元的控制信号，提供半导体制冷器的工作电流实现温度控制；热敏电阻监测温度数值，并将温度值转换为电学信号上报到控制电路单元中。

进一步，还包括电源变换器。电源变换器对接入电子设备的电压或电流进行转换，得到适合不同电路模块供电的输出电源，实现对电子设备不同电路模块的供电。

进一步，温度控制单元用于对激光器单元进行稳定温度控制，温度控制单元装配在激光器芯片下方。半导体制冷器接收控制电路单元的控制信号，提供半导体制冷器的工作电流实现温度控制；热敏电阻监测温度数值，并将温度值转换为电学信号上报到控制电路单元中。

进一步，还包括ADN8834芯片。NTC热敏电阻和LD芯片贴装同一基板上，NTC热敏电阻随着温度的变化高，热敏电阻阻值随之改变（温度升高，电阻减小）；电阻改变之后，将信号传送到ADN8834芯片中，ADN8834芯片通过内部的算法和周围的链路，来控制TEC工作，温度偏高，就会控制TEC来进行制冷；温度偏低，就控制TEC来制热；保证芯片工作的温度在一个固定范围内。

进一步，还包括ADN2830芯片。LD芯片工作时，电流的变化会影响出光光功率，当驱动电流大于芯片阈值电流时，芯片开始出光（芯片两面都出光），此时LD后端的MPD芯片会将接收到光，转换成电流；然后传输到ADN2830芯片，ADN2830芯片通过内部的算法和周围链路，来计算输出给LD芯片的电压值，从而实现功率的控制。

附图说明

图1为本发明实施例的单通道结构剖视图。

图2为本发明实施例的结构示意图。

图3为本发明实施例的四通道结构剖视图。

图4为本发明实施例的微波单元结构示意图。

图5为本发明实施例的微波单元的工作原理结构示意图。

图6为本发明实施例的空间光路结构示意图。

图7为本发明实施例的控制电路的温度控制原理结构示意图。

图8为本发明实施例的控制电路的功率控制原理结构示意图。

图9为本发明实施例2的散热装置的结构剖视图。

图10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11为本发明实施例2的圆盘与散热孔分离的结构俯视图。

图12为本发明实施例2的壳体的结构左视图。

图13为本发明实施例2的图11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：微波单元1、激光器单元2、激光器芯片2-1、背光探测器芯片2-2、空间光路单元3、温度控制单元4、半导体制冷器4-1、热敏电阻4-2、控制电路单元5、第一气缸6、微型风扇7、活塞8、安装板9、凸块10、正转开关11、反转开关12、镂空网13、散热装置14、壳体15、下侧壁16、第二气缸17、散热孔18、滑轨19、圆盘20、活塞杆21。

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通道直接调制电光转换组件；每个通道均包括微波单元1、激光器单元2、空间光路单元3、温度控制单元4和控制电路单元5；

如附图3所示：

还包括封装壳体15、封装壳体15将微波单元1、激光器单元2、空间光路单元3和控制电路单元5一体化封装集成，同时多通道集成之间满足通道隔离度要求，屏蔽壳体15对外接口包含微波输入接口、光信号输出接口、低频馈电和控制接口等。封装壳体15的采用金属化屏蔽壳体结构用于屏蔽外界、组件自身、多通道组件通道间所产生的射频干扰信号。

如附图4-5所示：

微波单元1包括Bias Tee、LNA低噪声放大器和数控衰减器；

微波单元1通过微带线连接激光器单元2，用于将输入微波信号进行放大、滤波处理，给激光器单元2提供微波信号；

如附图6所示：

数控衰减器，用于具有增益设定和控制功能要求的微波通信***中，负责均衡不同信道的增益，Bias-Tee与LNA低噪声放大器连接，实现中频放大；

微波单元1中的放大器和衰减器由模块级换成芯片级，和光路部分一起集成到同一个腔体内部；实现所有将分离器件集成到一体，达到减小体积，降低功耗的目的。

整个微波单元1工作原理为：射频信号接收到之后，通过射频微带输入到LNA，将信号实现放大，放大的信号流经衰减器（以缓冲阻抗的变化，改善阻抗匹配），来到Bisa Tee（Bisa Tee是由超宽带、接近理想化、没有谐振点的高频电感和电容组成），通过Bisa Tee之后，输入到LD芯片；然后LD通过电光效应，将接收到的电信号通过LD发光，将电信号传载出去。

激光器单元2连接空间光路单元3，激光器单元2直接将微波信号加载到光信号中实现电光转换，直接对光信号进行调制后输出；

如附图6所示：

温度控制单元4用于对激光器芯片2-1单元2进行稳定温度控制，控制电路单元5分别与温度控制单元4和激光器单元2调制连接。

其中，激光器芯片2-1单元2包含激光器芯片2-1和背光探测器芯片2-2，控制电路单元5提供驱动电流使激光器芯片2-1产生电光转换的光载波信号，并将光载波信号分别传输给聚焦透镜和背光探测器芯片2-2；背光探测器2-2芯片可以采用PIN型探测器芯片与控制电路5连接，背光探测器芯片2-2用于监测激光器输出光功率，反馈监测到光功率强度，进而形成激光器单元2反馈控制。

空间光路单元3：包括光纤、准直透镜和聚焦透镜；

准直透镜，用于将LD芯片发出的发散光聚焦转成准直光；所述准直透镜的焦点位于所述LD芯片的光发射面上；

聚焦透镜，用于耦合更大自由空间的光束到光纤中；

通过准直透镜，将LD的发散光转换成准直光线，再通过聚焦透镜将准直的光聚焦到一点，通过聚焦透镜，将聚焦的光耦合到光纤一端内部；

如附图7-8所示：

温度调控单元4装配在激光器芯片2-1下方，温度调控单元4包含温度控制的半导体制冷器4-1和温度监测的热敏电阻4-2，半导体制冷器4-1接收控制电路单元5的控制信号，提供半导体制冷器4-1的工作电流实现温度控制；热敏电阻4-2监测温度数值，并将温度值转换为电学信号上报到控制电路单元5中。

还包括ADN8834芯片。NTC热敏电阻和LD芯片贴装同一基板上，NTC热敏电阻随着温度的变化高，热敏电阻阻值随之改变（温度升高，电阻减小）；电阻改变之后，将信号传送到ADN8834芯片中，ADN8834芯片通过内部的算法和周围的链路，来控制TEC工作，温度偏高，就会控制TEC来进行制冷；温度偏低，就控制TEC来制热；保证芯片工作的温度在一个固定范围内。

还包括ADN2830芯片。LD芯片工作时，电流的变化会影响出光光功率，当驱动电流大于芯片阈值电流时，芯片开始出光（芯片两面都出光），此时LD后端的MPD芯片会将接收到光，转换成电流；然后传输到ADN2830芯片，ADN2830芯片通过内部的算法和周围链路，来计算输出给LD芯片的电压值，从而实现功率的控制。

控制电路单元5，包含温度控制器和激光控制器，温度控制器与半导体制冷器4-1和热敏电阻4-2连接，实现对温度控制。激光器控制器与激光器芯片2-1、背光探测器连接，实现对激光器输出功率控制。

包括电源变换器，对接入电子设备的电压或电流进行转换，得到适合不同电路模块供电的输出电源，实现对电子设备不同电路模块的供电。

实施例2，如附图9-11所示：

本实施例与实施例1不同之处在于，还包括散热装置，散热装置包括第一气缸6和微型风扇7，微型风扇7包括电机和扇叶，扇叶固定设在电机的输出轴上，第一气缸6固定设在壳体15外部上，第一气缸6的侧壁上滑动设有活塞8，活塞8与第一气缸6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6的端口上设有安装板9，安装板9上设有通风孔，电机的底部固定在安装板9上，活塞8上靠近微型风扇7方向上设有凸块10，安装板9上设有用于控制电机转动的开关，开关与凸块10相匹配，安装板9上设有通孔，通孔用于透气和平衡气压。

第一气缸6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15的温度变化，并能及时将壳体15上的温度传递至密封空间的液体内，进而第一气缸6将热量传递给液体也可降低壳体15的温度。

壳体15的上下两侧均设有四个散热装置，四个散热装置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13，避免扇叶被外界撞击损坏。

散热装置上的开关包括控制电机正传的正转开关11和控制电机反转的反转开关12，四个散热装置的正转开关11比反转开关12距离凸块10的距离短。

第一散热装置上的正转开关11还用于控制壳体15的下侧壁16导电，壳体15上下两侧壁上开设有相对应的散热孔18。

如附图12-13所示：

壳体15两侧的散热装置之间还设有第二气缸17和滑轨19，第二气缸17的活塞杆21上固定连接有圆盘20，圆盘20滑动设置在滑轨19内，所圆盘20用于打开和关闭散热孔18；所述第二气缸17内的侧壁上滑动设有活塞8，活塞8与第二气缸17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15的温度达到30°以上时，第一气缸6内的液体蒸发，进而活塞8朝着风扇方向移动，进而四个散热装置的活塞8先接触正转开关11，四个散热装置相对应的风扇开始正向转动，对着壳体15吹风将壳体15表面的热量吹走，壳体15的下侧壁16通电，因为重力的缘故，壳体15的上侧壁和零件上的灰尘会自动落在壳体15的下侧壁16上，而且通电的侧壁将灰尘吸附，避免灰尘堆积在壳体15内部的零件上。

同时第二气缸17内的液体蒸发，将活塞朝着圆盘20方向推动，使得圆盘20与散热孔18从重叠状态至分离状态，此时，散热孔18完全漏出，风扇通过散热孔18吹风进去，继而将壳体15内的热量吹出，达到快速散热的目的，避免散热装置将对应壳体15的热量吹散到旁边的，导致壳体15温度散热慢。

如果温度继续升高，第一气缸6内的压强继续增大，活塞8继续朝靠近散热装置方向移动，进而四个散热装置的活塞8接触反转开关12，进而四个散热装置对应的风扇开始反向转动，风扇与壳体15之间形成负压，即可将四个散热装置相对应的壳体15上热量吸走，同时也通过散热孔18将壳体15内的热量吸走，通过将散热装置上的风机线正转后反转，达到散热的目的，增加了壳体15的使用寿命。

同时四个风扇反转，风扇与壳体15之间形成负压，进而可以通过散热孔18将壳体15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15的温度降低后，第一气缸和第二气缸17内的液体的温度降低，进而活塞朝着气缸底部移动，进而使得凸块10先后和正转开关11、反转开关12分离，圆盘20与散热孔18重合，进而将散热孔18堵住，避免灰尘进入壳体15内。

同时，第二散热装置和第四散热装置的反转开关12与凸块10相接触，使得第二散热装置和第四散热装置上的风扇反转，第二散热装置和第四散热装置上的风扇与壳体15之间形成负压，即可将第二散热装置和第四散热装置相对应的壳体15上热量吸走，达到快速散热的目的，避免散热装置将对应壳体15的热量吹散到旁边，使得壳体15温散快。

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 (9)

1.一种基于光电混合集成的4通道直接调制电光转换组件，其特征在于：包含微波单元（1）、激光器单元（2）、空间光路单元（3）、温度控制单元（4）和控制电路单元（5）；

微波单元（1）：包括Bias Tee、LNA低噪声放大器和数控衰减器；

微波单元（1）通过微带线连接激光器单元（2），用于将输入微波信号进行放大、滤波处理，给激光器单元（2）提供微波信号；

Bias-Tee与LNA低噪声放大器连接，实现中频放大；

数控衰减器，用于具有增益设定和控制功能要求的微波通信***中，负责均衡不同信道的增益，

激光器单元（2）：包括激光器芯片（2-1）和背光探测器芯片（2-2）；

激光器单元（2）连接空间光路单元（3），激光器单元（2）直接将微波信号加载到光信号中实现电光转换，直接对光信号进行调制后输出；

空间光路单元（3）：包括光纤、准直透镜和聚焦透镜；

通过准直透镜将LD的发散光转换成准直光线，再通过聚焦透镜将准直的光聚焦到一点，通过聚焦透镜将聚焦的光耦合到光纤一端内部；

温度控制单元（4）：包括半导体制冷器（4-1）TEC和NTC热敏电阻（4-2），用于对激光器单元（2）进行稳定温度控制；

控制电路单元（5）：包含温度控制器和激光控制器，温度控制器与半导体制冷器（4-1）、热敏电阻（4-2）连接，实现对温度控制；激光控制器与激光器芯片（2-1）、背光探测器连接，实现对激光器输出功率控制；

还包括壳体（15），将微波单元（1）、激光器单元（2）、空间光路单元（3）和控制电路单元（5）一体化封装集成，同时多通道集成之间满足通道隔离度要求，壳体（15）对外接口包含微波输入接口、光信号输出接口、低频馈电和控制接口；所述壳体（15）内的腔体结构设计成四通道，每个通道独立空间，加电引线端子设计成“H型”结构，从底部通过玻璃烧结工艺引出；上层采用盖板激光焊接；

还包括散热装置，散热装置包括第一气缸（6）和微型风扇（7），微型风扇（7）包括电机和扇叶，扇叶固定设在电机的输出轴上，第一气缸（6）固定设在壳体（15）外部上，第一气缸（6）的侧壁上滑动设有活塞（8），活塞（8）与第一气缸（6）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（6）的端口上设有安装板（9），安装板（9）上设有通风孔，电机的底部固定在安装板(9)上，活塞（8）上靠近微型风扇（7）方向上设有凸块（10），安装板（9）上设有用于控制电机转动的开关，开关与凸块（10）相匹配，安装板（9）上设有通孔，通孔用于透气和平衡气压；

壳体（15）两侧的散热装置之间还设有第二气缸（17）和滑轨（19），第二气缸（17）的活塞杆（21）上固定连接有圆盘（20），圆盘（20）滑动设置在滑轨（19）内，所述圆盘（20）用于打开和关闭散热孔（18）；所述第二气缸（17）内的侧壁上滑动设有活塞（8），活塞（8）与第二气缸（17）组成密封空间，密闭空间内设有沸点为30°到40°的液体。

2.根据权利要求1所述的一种基于光电混合集成的4通道直接调制电光转换组件，其特征在于：所述壳体(15)采用金属化屏蔽壳体。

3.根据权利要求1所述的一种基于光电混合集成的4通道直接调制电光转换组件，其特征在于：所述激光器芯片（2-1）不限于FB、DFB和VCSEL芯片。

4.根据权利要求1所述的一种基于光电混合集成的4通道直接调制电光转换组件，其特征在于：所述背光探测器芯片（2-2）采用PIN型探测器芯片与控制电路连接。

5.根据权利要求1所述的一种基于光电混合集成的4通道直接调制电光转换组件，其特征在于：所述NTC热敏电阻（4-2）和LD芯片贴装同一基板上。

6.根据权利要求1所述的一种基于光电混合集成的4通道直接调制电光转换组件，其特征在于：所述温度控制单元（4）装配在激光器芯片（2-1）下方。

7.根据权利要求1所述的一种基于光电混合集成的4通道直接调制电光转换组件，其特征在于：还包括电源变换器。

8.根据权利要求1所述的一种基于光电混合集成的4通道直接调制电光转换组件，其特征在于：温度控制单元（4）用于对激光器单元（2）进行稳定温度控制，温度控制单元（4）装配在激光器芯片（2-1）下方。

9.根据权利要求1所述的一种基于光电混合集成的4通道直接调制电光转换组件，其特征在于：还包括ADN8834芯片。

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