引用本文:

蔡雪芳,吕晓萌,廖翱,等. 基于封装集成的四通道微波光子电/光转换组件[J]. 光通信技术,2020,44(6):32-35.

基于封装集成的四通道微波光子电/光转换组件

蔡雪芳,吕晓萌*,廖 翱,伍艺龙,景 飞,王 超,张童童,许玮华,赵炳旭,龙敏慧

中国电子科技集团公司 第二十九研究所,成都 610029)

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摘要:在现有的微波光子系统中,低成本、高性能和阵列化的电/光转换组件成为了限制微波光子应用的技术瓶颈之一。设计了一种基于光电混合封装技术的四通道直调电/光转换组件,该组件集成了多种功能芯片,实现了将四通道2~18 GHz的射频信号转换为光信号的功能。测试结果表明:该组件实现了18 GHz的电光调制带宽、9 dB的插入损耗、小于30 dB的噪声系数以及大于10 dBm的输入三阶截交点(IIP3);在保证高性能电/光转换的同时,有效缩减封装尺寸、降低系统重量和提高系统集成度,有利于微波光子技术的阵列化应用。

关键词:微波光子;微波光子混合集成;电/光转换;高速直接调制

中图分类号:TN929.1 文献标志码:文章编号:1002-5561(2020)06-0032-04

DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2020.06.008

0 引言
    自20世纪90年代,微波光子技术作为微波与光子技术相互融合交叉学科,通过光子技术具备的损耗低、带宽大、重量轻、抗干扰和波分复用等优势,有效地克服了“电子瓶颈问题”。微波光子技术是在光域上实现微波信号处理的前沿光电子技术,广泛应用于宽带无线接入网络、卫星通信、雷达以及电子对抗等系统中[1-5]。2014年,美国海军实验室以“光子学照亮了雷达的未来”为题,将微波光子学技术在雷达等中的工程应用提到了极为重要的高度[6]。微波光子技术主要应用实例有光载射频 [7,8]、光学波束形成[9,10]、光电振荡器[11,12]和光子变频[13]等。与传统微波技术相比,微波光子技术具有独特的技术优势。
   然而,目前微波光子技术仍然是基于分立器件实现的,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优势。而发展高集成度的微波光子技术,省略了单个器件和集成电路封装及互连所涉及材料和空间,可以最大限度地减少系统组件的体积、重量和功耗,从而提升系统集成度;同时,其避免引线互连带来的限制及不同器件和电路之间的匹配给系统设计造成的困扰,充分发挥其大带宽、全频段、灵活性和可重构能力的特点提高性能和可靠性,成为打破微波光子应用困局的关键手段[14-18]。微波光子技术作为未来通信系统和雷达系统的关键技术,逐步由分立器件系统向芯片集成系统过渡发展。随着工艺技术的进步,微波光子的集成技术也得到了迅速发展,主要分为基于互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺技术的芯片集成(SOC)技术[19-21]和基于多功能芯片微组装技术的混合集成封装(SIP)技术[22-24]。其中,SOC技术采用平面半导体工艺,将光芯片和电芯片集成到同一材料体系中,实现工艺难度大、成品率低,难以短期内实现工程化。SIP技术主要采用金丝引线键合、透镜耦合等互连方式来实现不同芯片之间的低频信号、高频信号以及光信号的互连。与SOC技术相比,SIP技术具有成本低、设计灵活性高、制备工艺简单、可返修和易于工程化等优势,可迅速广泛地应用于通信和雷达系统中。
    本文设计一种基于SIP工艺制备的四通道微波光子电/光转换组件,以实现将4路2~18 GHz的射频信号转换为光信号的功能。

4 结束语
    本文设计了一种基于封装集成工艺制备的四通道微波光子电/光转换组件,利用微组装混合封装工艺将激光器芯片、微波芯片、控制芯片、TEC以及光学透镜封装于一个精密结构体内,并通过金丝键合实现信号互连,大大减少电/光转换组件尺寸,达到小型化、减重的目的。测试结果表明:该组件在2~18 GHz 9个倍频程内可以实现高效、高线性度的电/光转换能力,可在高密度阵列的电子战和雷达系统中作为微波光子集成前端使用。