射频光传收发集成组件及系统

技术领域

本发明属于射频光传技术领域，具体涉及一种射频光传收发集成组件及系统。

背景技术

射频光传(ROF)技术在微波光子雷达、射电望远镜、无人机通信等军事和民用领域具有广阔的应用前景。射频光传收发组件承担射频到光域以及光域到射频的转换功能，是射频光传系统的重要组成部分。

未来军事及民用领域的技术发展对射频光传收发组件提出了高集成、宽带化、高增益低噪声的需求，具体体现在：

高集成的组件形态可提升在小型化平台的适装性以及严苛环境中工作的可靠性，然而，目前大多数射频光传系统仍是基于分立的激光器、调制器、探测器元件或模块，集成度低；

宽带化可提升微波光子雷达的成像分辨率和光载射频通信的传输数据量，直调模块受限于直调激光器的性能，带宽有限，采用体铌酸锂调制器的外调模块带宽可达40GHz，但是其体积大，难以实现高集成度；

增益和噪声系数是射频光传系统性能评估的重要指标，发射需高增益、接收需低噪声，受限于目前的器件水平，射频光传收发组件会带来巨大的射频转换损耗和附加噪声，难以满足发射高增益、接收低噪声的需求。

因此，急需研发一种新型的射频光传收发组件满足高集成、宽带化、高增益低噪声的射频光传应用需求。

发明内容

本发明目的是提供一种射频光传收发集成组件及系统，能够满足高集成、宽带化、高增益低噪声的射频光传应用需求。

具体地说，一方面，本发明提供了一种射频光传收发集成组件，包括光源模块、射频调制模块、两个透镜耦合模块、单芯光纤阵列、探测器芯片、热电制冷器和电互联基板；

所述光源模块，包含激光器芯片、背光探测器和热敏电阻；所述激光器芯片用于产生连续波激光；所述背光探测器用于监测光功率，与射频光传收发集成组件外部的电路配合实现激光器芯片的自动功率控制；所述热敏电阻用于监测激光器芯片温度，与所述热电制冷器、射频光传收发集成组件外部的电路配合，实现自动温度控制；

所述射频调制模块，包含薄膜铌酸锂调制器芯片和监测探测器；所述薄膜铌酸锂调制器芯片用于射频信号的电光调制，所述监测探测器与背光探测器、射频光传收发集成组件外部的电路配合，实现调制器偏置点的自动控制；

所述透镜耦合模块有两个，每个透镜耦合模块采用双透镜+光隔离器的光耦合结构，用于所述激光器芯片和薄膜铌酸锂调制器芯片间、薄膜铌酸锂调制器芯片和单芯光纤阵列间的光耦合；

所述单芯光纤阵列，包含第一单芯光纤阵列和第二单芯光纤阵列，其中第一单芯光纤阵列用于薄膜铌酸锂调制器芯片与光纤进行耦合，第二单芯光纤阵列用于探测器芯片与光纤进行耦合；

所述探测器芯片，用于光载射频信号到射频信号的转换；

所述热电制冷器，设置在整个射频光传收发集成组件的下部，配合热敏电阻和射频光传收发集成组件外部的电路，实现光源模块、透镜耦合模块、射频调制模块、单芯光纤阵列和探测器芯片的精准控温；

所述电互联基板，用于激光器芯片、薄膜铌酸锂调制器芯片和探测器芯片上控制引脚、电源引脚的引出。

进一步的，所述射频光传收发集成组件，

接收射频信号时，所述射频光传收发集成组件接收的射频信号进入薄膜铌酸锂调制器芯片，激光器芯片产生的连续波激光通过透镜耦合模块进行准直聚焦后，耦合进入薄膜铌酸锂调制器芯片，将所述射频信号调制成光载射频信号，通过另一个透镜耦合模块耦合进入第一单芯光纤阵列，通过光纤向后传输；

发射射频信号时，光载射频信号由所述第二单芯光纤阵列耦合进入探测器芯片，解调成射频信号后，向前传输。

进一步的，所述射频光传收发集成组件，还包括射频收发放大模块和管壳；

所述射频收发放大模块用于射频信号接收与发射的切换，以及射频放大；

所述管壳提供对外连接的射频接口、低频接口、光接口，以及整个射频光传收发集成组件的气密封装。

进一步的，通过所述管壳对整个射频光传收发集成组件进行气密封装。

进一步的，所述管壳，包含一个射频连接器、若干低频连接器和一个光纤尾管。

进一步的，所述射频收发放大模块，包含射频功放芯片、射频低噪放芯片、射频开关芯片和射频基板；

所述射频收发放大模块的射频收链路、射频发链路分别与射频调制模块、探测器芯片通过金丝跳线进行射频信号互联，与管壳上的射频连接器焊接互联，实现对外射频连接；

所述射频收发放大模块的射频基板通过金丝跳线与管壳的低频连接器进行互联，电互联基板上的低频控制走线、供电走线通过金丝跳线与管壳的低频连接器进行互联，实现控制、供电引脚引出；

所述单芯光纤阵列的尾纤通过管壳上的光纤尾管穿出。

进一步的，所述单芯光纤阵列的尾纤与光纤尾管气密焊接。

进一步的，所述射频光传收发集成组件，

接收射频信号时，射频信号从所述射频连接器进入射频光传收发集成组件，经过射频开关芯片和射频低噪放芯片后，进入薄膜铌酸锂调制器芯片，激光器芯片产生的连续波激光通过透镜耦合模块进行准直聚焦后，耦合入薄膜铌酸锂调制器芯片，将射频信号调制成光载射频信号，通过另一个透镜耦合模块耦合进入第一单芯光纤阵列，通过光纤穿过光纤尾管向后传输；

发射射频信号时，光载射频信号通过光纤穿过光纤尾管，由第二单芯光纤阵列耦合进入探测器芯片，解调成射频信号后，经过射频功放芯片和射频开关芯片后，通过射频连接器发射出去。

另一方面，本发明还提供一种射频光传收发集成系统，包括上述射频光传收发集成组件。

本发明的射频光传收发集成组件及系统的有益效果如下：

在形态上，本发明的通射频光传收发集成组件及系统，采用光电多芯片混合微组装技术将射频芯片、激光器芯片、薄膜铌酸锂调制器芯片、探测器芯片等集成于电互联基板上，实现高集成度。

在性能上，本发明的射频光传收发集成组件及系统，采用了大带宽的薄膜铌酸锂调制器芯片，收发链路的带宽上限由薄膜铌酸锂调制器芯片、探测器芯片的带宽决定，本发明中采用的薄膜铌酸锂调制器芯片具有大带宽、低半波电压的特性，且其尺寸仅为传统体铌酸锂调制器的1/10，结合具有大响应带宽的探测器芯片，可使本发明的射频光传收发集成组件及系统满足宽带收发需求，实现宽带化。

本发明的射频光传收发集成组件内除了电光、光电转换外，还集成了射频功放芯片和射频低噪放芯片，级联链路可以大大改善光链路本身的损耗和噪声，实现发射高增益、接收低噪声。

附图说明

图1是本发明实施例1的原理框图。

图2是本发明实施例2的原理框图。

图3是本发明实施例2的结构示意图。

图4是本发明实施例2的接收链路示意图。

图5是本发明实施例2的发射链路示意图。

图6是本发明实施例2的测试结果示意图。

图中标识：1-光源模块，101-激光器芯片，102-背光探测器，103-热敏电阻，2-透镜耦合模块，201-透镜，202-光隔离器，3-射频调制模块，301-薄膜铌酸锂调制器芯片，302-监测探测器，4-单芯光纤阵列，401-第一单芯光纤阵列，402-第二单芯光纤阵列，5-探测器芯片，6-热电制冷器，7-电互联基板，8-射频收发放大模块，801-射频功放芯片，802-射频低噪放芯片，803-射频开关芯片，804-射频基板，9-管壳，901-射频连接器，902-低频连接器，903-光纤尾管。

具体实施方式

下面结合实施例并参照附图对本发明作进一步详细描述。

实施例1：

本发明的一个实施例，为一种射频光传收发集成组件，用于射频到光域以及光域到射频的射频光传收发功能。如图1所示，本发明的射频光传收发集成组件包括一个射频接收通道和一个射频发射通道。射频接收通道完成射频信号到光载射频信号的转换；射频发射通道完成光载射频信号到射频信号的转换。本发明的射频光传收发集成组件具体包括：光源模块1、两个透镜耦合模块2、射频调制模块3、单芯光纤阵列4、探测器芯片5、热电制冷器6和电互联基板7。

所述光源模块1，包含激光器芯片101、背光探测器102和热敏电阻103。激光器芯片101用于产生连续波激光，背光探测器102用于监测光功率，可与射频光传收发集成组件外部的电路配合，实现激光器芯片的自动功率控制，热敏电阻103用于监测激光器芯片温度，可与热电制冷器6和射频光传收发集成组件外部的电路配合实现自动温度控制。激光器芯片101的类型包括但不限于DFB、FP、VCSEL等。

所述射频调制模块3，包含薄膜铌酸锂调制器芯片301和监测探测器302。薄膜铌酸锂调制器芯片301用于射频信号的电光调制，监测探测器302可与背光探测器102和射频光传收发集成组件外部的电路配合，实现调制器偏置点的自动控制。

所述透镜耦合模块2有两个，每个透镜耦合模块2，采用双透镜+光隔离器的光耦合结构，例如每个透镜耦合模块2包含两个透镜201和一个光隔离器202，用于激光器芯片101和薄膜铌酸锂调制器芯片301间、薄膜铌酸锂调制器芯片301和单芯光纤阵列4间的光耦合，光隔离器可以避免反射光进入激光器芯片。透镜201的类型包括但不限于硅透镜、石英透镜等。

所述单芯光纤阵列4，包含第一单芯光纤阵列401和第二单芯光纤阵列402，其中第一单芯光纤阵列401用于薄膜铌酸锂调制器芯片301与光纤进行耦合，第二单芯光纤阵列402用于探测器芯片5与光纤进行耦合。

所述探测器芯片5，用于光载射频信号到射频信号的转换。

所述热电制冷器6，配合热敏电阻103、射频光传收发集成组件外部的电路中外围自动温度控制电路使用，实现上述光源模块1、透镜耦合模块2、射频调制模块3、单芯光纤阵列4和探测器芯片5的精准控温。优选的，热电制冷器6设置在整个射频光传收发集成组件的下部，对射频光传收发集成组件进行整体控温，即对光源模块1、透镜耦合模块2、射频调制模块3、单芯光纤阵列4和探测器芯片5进行控温，使得射频光传收发集成组件具有更高的环境稳定性。

所述电互联基板7，用于激光器芯片101、薄膜铌酸锂调制器芯片301和探测器芯片5上控制引脚、电源引脚引出。电互联基板7的材料包括但不限于单晶AlN、HTCC、LTCC等。

上述射频光传收发集成组件是一种实现光电转换和电光转换的光收发模块，可满足高集成、宽带化的射频光传需求。

进一步的，在另一个实施例中，在上述射频光传收发集成组件的基础上，增加射频收发放大模块8和管壳9，如图2所示，可使光收发模块便于实际应用，同时射频收发放大模块8也可满足整个射频光传收发集成组件的发射高增益、接收低噪声的应用需求。

所述射频收发放大模块8，包含射频功放芯片801、射频低噪放芯片802、射频开关芯片803和射频基板804，用于收发路的切换和射频放大。射频基板804的材料包括但不限于单晶AlN、HTCC、LTCC等。

所述管壳9，包含一个射频连接器901、若干低频连接器902和一个光纤尾管903，分别用于射频接口/低频接口/光接口的对外连接。优选的，管壳9对整个射频光传收发集成组件进行气密封装。管壳9的材料包括但不限于可伐、铝硅、钼铜、钨铜等合金。

图1和图2中各元件间通过实线箭头连接的为光路，通过虚线箭头连接的为射频路。

图1的射频光传收发集成组件中信号的流向为：

接收射频信号时，射频光传收发集成组件接收的射频信号进入薄膜铌酸锂调制器芯片301，激光器芯片101产生的连续波激光通过透镜耦合模块2进行准直聚焦后，耦合进入薄膜铌酸锂调制器芯片301，将射频信号调制成光载射频信号，通过另一个透镜耦合模块2耦合进入第一单芯光纤阵列401，经过光纤向后传输；

发射射频信号时，光载射频信号由第二单芯光纤阵列402耦合进入探测器芯片5，解调成射频信号后，向前传输。

图2中射频光传收发集成组件中信号的流向为：

接收射频信号时，射频光传收发集成组件通过射频连接器901接收射频信号，经过射频开关803和射频低噪放芯片802后，进入薄膜铌酸锂调制器芯片301，激光器芯片101产生的连续波激光通过透镜耦合模块2进行准直聚焦后，耦合入薄膜铌酸锂调制器芯片301，将射频信号调制成光载射频信号，通过另一个透镜耦合模块2耦合进入第一单芯光纤阵列401，通过光纤穿过光纤尾管903向后传输；

发射射频信号时，光载射频信号通过光纤穿过光纤尾管903，由第二单芯光纤阵列402耦合进入探测器芯片5，解调成射频信号后，经过射频功放芯片801和射频开关803后，经过射频连接器901发射出去。

本实施例的射频光传收发集成组件的结构如图3所示，射频收发放大模块8的射频收链路、射频发链路分别与射频调制模块3、探测器芯片5可以通过金丝跳线进行射频信号互联，与管壳9上的射频连接器901焊接互联，实现对外射频连接；射频收发放大模块8的射频基板804通过金丝跳线与管壳9两侧的低频连接器902进行互联，电互联基板7上的低频控制走线、供电走线通过金丝跳线与管壳9两侧的低频连接器902进行互联，实现控制、供电引脚引出；单芯光纤阵列4的两根尾纤通过管壳9上的光纤尾管903穿出。优选的，在另一个实施例中，尾纤与光纤尾管9气密焊接。

本实施例的射频光传收发集成组件的长宽高尺寸仅为65mm×15mm×9mm，相比于基于分立激光器、调制器、探测器和射频模块搭建的射频光传收发系统，该射频光传收发集成组件采用光电多芯片混合微组装技术将射频芯片、多种光芯片等集成于同一壳体内，在集成度上大大提升。

下文对实施例2的射频光传收发集成组件工作于射频接收功能和射频发射功能进行原理阐述。

一、射频接收功能

将本实施例的射频光传收发集成组件与外部的光电探测器进行光纤连接，射频光传收发集成组件内的射频开关803切换到射频低噪放芯片802所在支路，即可实现射频接收链路，如图4所示。假设前级的射频低噪放芯片802的射频增益为G

例如，Ka波段射频低噪放芯片的常规G

二、射频发射功能

将本实施例的射频光传收发集成组件与外部的激光器和调制器进行光纤连接，射频光传收发集成组件内的射频开关803切换到射频功放芯片801所在支路，即可实现射频发射链路，如图5所示。射频发射链路主要关注增益特性，假设后级的射频功放芯片801的射频增益为G

此外，本发明的射频光传收发集成组件还具有大带宽特性。薄膜铌酸锂调制器芯片301的波导尺寸仅为传统体铌酸锂调制器波导尺寸的1/10，利于实现高集成度，电极间距得以减小，带来<3V的低半波电压，同时兼具传统体铌酸锂调制器的大带宽优势。由射频光传收发集成组件内激光器芯片101、薄膜铌酸锂调制器芯片301和探测器芯片5组成的本征光链路的0.1GHz～40GHz带宽内S21测试结果如图6所示，带内最高点m8和最低点m9的幅度差异为3.4dB，3dB带宽约为40GHz，本发明的射频光传收发集成组件可实现大带宽的射频传输。

上述参照附图并结合具体实施方式阐述了此射频光传收发集成组件的高集成、宽带化、发射高增益、接收低噪声特性，可用于微波光子雷达、射电望远镜、无人机通信等军事和民用领域，其优越性主要体现在以下几方面：

在形态上，本发明的通射频光传收发集成组件及系统，采用光电多芯片混合微组装技术将射频芯片、激光器芯片、薄膜铌酸锂调制器芯片、探测器芯片等集成于电互联基板上，实现高集成度。

在性能上，本发明的射频光传收发集成组件及系统，采用了大带宽的薄膜铌酸锂调制器芯片，收发链路的带宽上限由薄膜铌酸锂调制器芯片、探测器芯片的带宽决定，本发明中采用的薄膜铌酸锂调制器芯片具有大带宽、低半波电压的特性，且其尺寸仅为传统体铌酸锂调制器的1/10，结合具有大响应带宽的探测器芯片，可使本发明的射频光传收发集成组件及系统满足宽带收发需求，实现宽带化。

本发明的射频光传收发集成组件内除了电光、光电转换外，还集成了射频功放芯片和射频低噪放芯片，级联链路可以大大改善光链路本身的损耗和噪声，实现发射高增益、接收低噪声。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。