一种超高集成的多路并行光电转换组件的制作方法

1.本发明涉及光电转换技术领域，具体是一种超高集成的多路并行光电转换组件。


背景技术：

2.射频光传输是微波光子学的重要应用之一，随着微波通信和光纤通信的快速发展，微波通信在长距离传输和大容量传输方面存在缺陷，这就促成了微波信号的光纤传输技术，即radio over fiber(rof)技术。微波光传输技术具备损耗低、带宽大、重量轻、抗干扰和波分复用等优势，有效克服了微波通信的缺陷。然而低成本、高性能和阵列化成为了限制微波光子应用的技术瓶颈之一。
3.目前rof技术中存在的技术缺点主要有：
4.1)目前微波信号光传输技术仍是基于分立器件实现的，集成化极低，导致整个系统在综合性能水平、体积、重量、功耗和成本等方面难以发挥其潜在的优势，无法适应快速发展的光传输技术应用需求；
5.2)多路集成时隔离度较差，电子对抗、雷达通信等领域对体积、质量、隔离要求均比较高，把多个光电探测器、射频放大器集成在一个较小的空间内时，无法满足高隔离度的要求；
6.3)可靠性和性能指标差：采用现有技术实现微波信号光传输，硬件难度大、结构形式复杂，多个器件互联难度大，这就降低了整个系统的可靠性。另外基于分立器件时链路指标较差，例如0.8～18ghz的带内平坦度一般为
±
3db。


技术实现要素：

7.为解决现有光通信领域中微波光在传输中存在的问题，本发明提出一种超高集成的多路并行光电转换组件，结合微波通信和光通信各自的优势，采用微组装技术将射频光电探测器、射频放大器、可调衰减器多路混合集成，实现调制光信号的光电转换和射频信号处理等功能。
8.本发明具体是通过以下技术方案来实现的，依据本发明提出的一种超高集成的多路并行光电转换组件，包括外壳体、设置在外壳体中的电源保护电路板、与电源保护电路板连接的电源走线板，该光电转换组件还包括多个集成腔体，多个集成腔体与电源走线板连接；每个集成腔体内设置有探测器芯片、射频放大器和射频可调衰减器；在每个集成腔体内，探测器芯片与腔体顶部的光耦合系统连接，射频可调衰减器与设置在腔体底部的ssmp连接器连接，射频放大器设置在探测器芯片和射频可调衰减器之间；探测器芯片与射频放大器之间、射频放大器与射频可调衰减器之间以及射频可调衰减器与ssmp连接器之间均通过微带线连接。
9.进一步地，所述探测器芯片固定在陶瓷基板上，陶瓷基板固定在腔体中；探测器芯片的供电端连接有锥形电感，陶瓷基板上还集成有t型网络电路，探测器芯片通过t型网络电路与微带线连接，通过t型网络电路把探测器芯片的输出阻抗拉低，达到50ω匹配的效
果，通过锥形电感改善光电转换组件的平坦度和多路通道之间的隔离度。
10.进一步地，微带线与陶瓷基板上的t型网络电路之间、微带线与微带线之间、微带线与射频放大器之间、微带线与射频可调衰减器之间均采用金丝键合的方式实现互连。
11.进一步地，微带线与ssmp连接器的中心导体采用电阻焊裹金带的方式连接，通过以上措施可以保证射频放大器的通道增益为15db，0.8～18ghz的带内平坦度≤
±
1db。
12.进一步地，所述微带线为50欧姆传输线，射频信号的传输阻抗为50欧姆时损耗最小，通过t型网络电路把探测器芯片的输出阻抗拉低至50欧姆，再通过50欧姆微带线连接，可以将不同类型的射频光电探测器、射频放大器、射频可调衰减器集成在一个特定结构封装腔体中，实现超高集成的光电系统。
13.进一步地，所述射频放大器固定在钨铜垫片上，钨铜垫片固定在腔体中，所述钨铜垫片用于满足产品散热和膨胀系数的要求，提升产品在高、低温下的可靠性。
14.进一步地，所述光耦合系统采用单纤形式，光纤与探测器芯片耦合处设有42
°
斜面，通过42
°
光纤斜面把光信号全反射到探测器的光敏面上；多路探测器芯片各自耦合完成后，通过并带工艺，把多路光纤合成到一个amt连接器。
15.进一步地，每个腔体上还密封有小盖板，所述小盖板为铜材质，利用铜对射频信号的屏蔽作用和趋肤效应，可以很大程度上改善隔离度指标，提升产品的通道隔离度，0.8～18ghz的带内隔离度≥65dbc。
16.进一步地，该光电转换组件0.8～18ghz的带内隔离度≥65dbc，0.8～18ghz的带内平坦度≤
±
1db，射频放大器的通道增益为15db。
17.本发明的有益技术效果：
18.(1)本发明采用超高集成的微组装技术，通过阻抗匹配拉低探测器芯片的输出阻抗，首次将不同类型的射频光电探测器、射频放大器、射频可调衰减器集成在一个特定结构封装腔体中，实现超高集成的光电系统。
19.(2)通过ads和hfss的电磁场仿真，为每个通道设计了合适尺寸的腔体，利用铜对射频信号的屏蔽作用和趋肤效应，创造性的设计了腔体小盖板，很大程度上提升了产品的通道隔离度。目前市场上集成产品0.8～18ghz的隔离度在45dbc左右，而本发明的隔离度可以达到65dbc以上。
20.(3)通过zmax和optisysterm等光仿真，保证微波信号、光学系统和光传输链路的性能，使光耦合效率和平坦度满足产品设计要求，实现pin光电芯片(探测器芯片)、射频放大器和射频可调衰减器集成在一个封装中，并完成微波光的解调和射频信号处理的功能。
21.(4)通过系统建模和软件仿真，保证实现0.8～18ghz超带宽微波射频信号的光电转换、射频放大和射频可调衰减等功能的同时，减少接口互连、降低系统结构难度，很大程度上提高了系统的可靠性和性能指标，比如基于分立器件0.8～18ghz的光电系统中，带内平坦度一般为
±
3db，而本发明的平坦度≤
±
1db，大幅度提高了产品的性能。
22.(5)本发明的光电转换组件结合了微波光的高带宽、低损耗、抗干扰等优势，解决了低成本、高性能和阵列化等方面的技术瓶颈，具有超小型化、高集成度、衰减量可调、可靠性高等特点，满足现有军民领域光电信息技术迅猛发展的需求，实现多通道光电转换及射频放大等功能，尤其为防务领域的机载对抗、雷达通信系统提供了多路光电互连解决方案，是未来rof领域的颠覆性技术，将广泛应用于电子对抗、雷达通信等军事领域，也将在移动
通信等民用领域得到推广和使用。
附图说明
23.图1是本发明的主视图；
24.图2是本发明的侧视图；
25.图3是图1的俯视图；
26.图4是图1的仰视图。
27.图5是壳体内部一面的示意图；
28.图6是壳体内部另一面的示意图；
29.图7是单个腔体内部结构示意图。
30.1-外壳体，2-电源保护电路板，3-电源走线板，4-集成腔体，5-探测器芯片，6-射频放大器，7-射频可调衰减器，8-陶瓷基板，9-锥形电感，10-t型网络电路，11-钨铜垫片，12-ssmp连接器，13-微带线，14-ssmp连接器中心导体，15-光纤，16-小盖板，17-金丝，18-壳体上盖板，19-42
°
光纤斜面，20-护套，21-焊盘，22-光缆，23-amt连接器。
具体实施方式
31.为了更好地理解本发明的内容，下面将结合具体实施例和附图来进一步阐述本发明。以下实施例以本发明的技术为基础实施，给出了详细的实施方式和操作步骤，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
32.现有微波光电子器件探测器和放大器均有其特定的封装技术，两种封装形式的互连和集成比较困难，不满足新一代武器装备的需求。本发明利用微组装技术，通过阻抗匹配，首次将不同类型的pin光电芯片(探测器芯片)、射频微波芯片集成在一起，并且是多路集成，实现组件的小型化和高集成化。集成封装时通过光电芯片绑定技术、光耦合技术、射频微波电路设计技术和光电集成技术等关键技术进行指标优化。
33.本发明的多路并行光电转换组件包括外壳体1和设置在外壳体中的电源保护电路板2、电源走线板3及多个集成腔体4。每个集成腔体是一个通道。电源保护电路板与电源走线板电连接，电源走线板与多个集成腔体电连接。多个集成腔体内的结构设置相同，每个集成腔体内从上到下依次设置有探测器芯片5(即pin光电芯片)、射频放大器6、射频可调衰减器7。探测器芯片固定在陶瓷基板8上，探测器芯片的供电端增加了锥形电感9，陶瓷基板上还集成了t型网络电路10，锥形电感和t型网络电路均与探测器芯片连接。所述的探测器芯片用于实现光电信号转换；锥形电感一方面可以改善平坦度，另一方面可以阻碍其它腔体串扰过来的高频信号，改善多路通道之间的隔离度。射频信号的传输阻抗为50欧姆时损耗最小，探测器芯片的输出阻抗大约有几千欧，通过t型网络电路可以把探测器芯片的输出阻抗拉低至50欧姆，达到阻抗匹配的目的。为了满足产品散热和膨胀系数的要求，提升产品在高低温下的可靠性，将射频放大器固定在与微波芯片(包括射频放大器和射频可调衰减器)的热膨胀系数相近的钨铜垫片11上。
34.一种实施例中，探测器芯片和射频放大器均通过导电胶分别固定在陶瓷基板和钨铜垫片上，陶瓷基板、钨铜垫片及射频可调衰减器均到过导电胶固定在腔体中。在其它实施例中，以上器件可以通过其它方式进行固定。
35.每个腔体内的探测器芯片与腔体顶部的光耦合系统连接，每个腔体底部还设置有ssmp连接器12，探测器芯片、射频放大器、射频可调衰减器和ssmp连接器在腔体内按照从上到下的顺序依次排布。探测器芯片与射频放大器之间、射频放大器与射频可调衰减器之间以及射频可调衰减器与ssmp连接器之间均通过50欧姆的微带线13连接。微带线与ssmp连接器中心导体14采用现有的电阻焊裹金带的方式连接，微带线与陶瓷基板上的t型网络电路之间、微带线与微带线之间、微带线与射频放大器之间、微带线与射频可调衰减器之间均采用金丝键合的方式实现互连。通过以上措施可以保证射频放大器的通道增益为15db，0.8～18ghz的带内平坦度≤
±
1db。
36.所述的光耦合系统采用单纤形式，通过zmax和optisysterm等光仿真，光纤15与探测器芯片耦合处采用42
°
斜面设计，通过42
°
光纤斜面设计实现光纤端面的全发射，光纤与探测器芯片的耦合效率达90％及以上。多路探测器芯片与光纤各自耦合完成后，采用并带工艺，把多路光纤合成到一个amt连接器输出。
37.经ads计算和hfss仿真，为多路射频通道设计了合适尺寸的腔体，多个集成腔体封装完成后，对腔体装配小盖板16进行密封，小盖板与腔体之间通过导电胶进行密封，利用铜对射频信号的屏蔽作用和趋肤效应，设计小盖板为铜材质，可以很大程度上改善隔离度指标，提升了产品的通道隔离度，0.8～18ghz的带内隔离度≥65dbc。同时产品外壳体的上下盖板采用平行缝焊的方式进行密封，满足气密要求。
38.下面以附图所示的6路集成的光电转换组件为例进行进一步说明：
39.图1所示的实施例为6路并行的光电转换组件，利用微组装技术将6通道pin光电二极管(探测器芯片)、微波芯片低噪声放大器(射频放大器)、射频可调衰减器集成封装在一个管壳内，实现组件的小型化和高集成化。集成封装时通过光电芯片绑定技术、光耦合技术、射频微波电路设计技术和光电集成技术等关键技术进行指标优化。以单个腔体为例进行说明：
40.第一步是探测器芯片的封装：在本实施例中，将陶瓷基板通过导电胶固定在腔体内，然后将探测器芯片通过导电胶固定在陶瓷基板上，陶瓷基板上集成了t型网络电路，并在探测器芯片的供电端增加了锥形电感，使t型网络电路和锥形电感均与探测器芯片连接，采用t形网络把pin光电二极管(探测器芯片)的射频输出阻抗拉低为50ω，达到阻抗匹配的目的，通过锥形电感改善平坦度和多路通道之间的隔离度。探测器芯片还与腔体顶部的光耦合系统连接，光耦合系统采用单纤形式，经过zmax和optisysterm仿真，光纤与探测器芯片耦合处设计为42
°
斜面，通过42
°
光纤斜面把光信号全反射到探测器芯片的光敏面上，耦合效率达90％及以上，每个腔体顶部的光缆汇集后与一个amt连接器连接。
41.第二步是射频放大电路的封装：每个通道的光信号经过探测器芯片转换为电信号经过t型网络电路具有较低的输出阻抗，经过50欧姆的微带线传输至射频放大器，再传输至射频可调衰减器处理后，最终通过管壳上的ssmp连接器输出。为了提升光电转换组件在高低温下的可靠性，设计了一款和微波芯片的热膨胀系数相近的钨铜垫片，满足散热和膨胀系数的要求。在本实施例中，钨铜垫片通过导电胶固定在腔体内，射频放大器通过导电胶固定在钨铜垫片上。射频可调衰减器通过导电胶固定在腔体内。采用金丝键合的方式实现微带线与陶瓷基板上的t型网络电路之间以及微带线与射频放大器、射频可调衰减器、微带线之间的互连，微带线与ssmp连接器的中心导体采用电阻焊裹金带的方式进行连接，通过以
上措施可以保证放大器的通道增益为15db，0.8～18ghz的带内平坦度≤
±
1db。
42.第三步是壳体的密封：经过ads计算和hfss仿真，为射频通道设计合适尺寸的腔体，并且设计了铜材质的小盖板，小盖板通过导电胶与腔体密封，可以很大程度上改善隔离度指标，0.8～18ghz的带内隔离度≥65dbc。同时壳体的上盖板18和下盖板(下盖板与上盖板相对，图上不显示)采用平行缝焊的方式进行密封，满足气密要求。
43.图1所示的6路并行光电转换组件的外形尺寸为49.5mm(长)
×
23mm(宽)
×
7mm(高)，其中6路输入光纤采用并带形式，光接口为amt连接器，射频输出采用ssmp连接器，实现产品的小型化和轻薄化。
44.本发明通过ads和hfss的电磁场仿真为每个通道设计合适尺寸的腔体，不仅可以将探测器芯片、射频放大器、射频可调衰减器集成在一个腔体中，将多路通道腔体集成于一个外壳体，而且可以使光电转换组件具有小型化、重量轻、成本低、衰减量可调、可靠性高等特点。通过阻抗匹配，首次将不同类型的pin光电芯片、射频放大器、射频可调衰减器集成在一起，并且是多路集成，实现超高集成的光电系统。通过zmax和optisysterm等光电耦合仿真，使光耦合系统具有高的耦合效率，并且达到0.8～18ghz的带内平坦度≤
±
1db。
45.本发明采用微组装工艺实现多路并行射频光调制信号的光电转换，同时对转换出来的射频信号进行增益补偿和衰减，实现模拟信号的低平坦度、低杂散、高隔离度输出，其0.8～18ghz的带内平坦度≤
±
1db，杂散抑制≤-90dbc，0.8～18ghz的带内隔离度≥65dbc，满足防务领域的机载对抗、雷达通信系统中微波光传输的指标要求。
46.以上所述仅是本发明的实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，本发明还可以根据以上结构和功能具有其它形式的实施例，不再一一列举。因此，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。