专利名称：高频信号耦合设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于耦合两个光电组件间的高频信号的设备，所述光电组件用独立的偏置电流和电压馈电。
背景技术：
诸如在光电系统中使用的Mach-Zender调制器的宽带(≥40G比特/秒)调制器，用受控的峰-峰电压进行工作，例如在铌酸锂调制器的情况下，叠加在直流偏压上的该电压是6V。此外，使用放大器来提供调制器的输入信号是十分有益的。
放大器和调制器通常用单独的电流和电压馈电。此外，由于不同的直流偏压，将调制器和放大器集成到相同部件会产生耦合问题。因此中间耦合设备是必要的。
在耦合设备中，即在放大器和调制器之间传输信号的传输线路中，将微波(＞100kHz)损耗最小化是有益的。这些损耗由信号的电磁反射产生，导致了寄生的微波阻抗和电容。如果所传递的信号是高频(＞100kHz)信号，那么使耦合设备的阻抗与那些放大器和调制器匹配是必要的。
耦合设备可以是实验室“偏置T”。因此包含电容和阻抗。然而，这种设备的体积对于集成到单片微波集成电路(MMIC)中有防碍。因此，“偏置T”通常有窄带宽；它既不传送低频(低于100kHz)也不传送高频(高于几GHz)。此外，它是非常庞大的，并且不能用于集成电路中。
同样地，耦合设备可以是简单的偏置二极管，例如，离散的半导体二极管。该二极管除了具有限制了带宽的结阻抗和电容之外，具有恒定压降。采用这样的设备，高频和低频的传输是不同的。可以针对这些频率范围的一个或者其他，对这种设备进行优化，在两种情况下都会导致相当大的损耗，所述损耗由不完美的源和负载阻抗匹配导致，因此降低了性能。
耦合设备可以等同于一个简单耦合电容器。这种设备产生反射损耗，以及因此造成带宽受限。此外，小电容器的使用例如可以集成进MMIC装置，该装置不能传输低于100kHz的频率。
以上引用的耦合设备被称为无源的，也就是说，非带电的。它们不必传送例如光电调制器的调制器内所需的所有高频。因此在几Khz和几十Ghz间的频率被阻止。这些无源设备的体积同样过于庞大，特别是在它们包含阻抗的情况下。因此，它们不能被集成到例如MMIC中。
专利申请EP-A-1 271 767公开了分布式实际充电(active charges)为放大器提供偏置作为调制器的输入信号。然而，这种设备提供单项耦合，也就是说，只有放大器的输出是加电的。调制器必须通过单独的设备加偏压。此外，以上文献所描述的设备只能提供正电流，而不是即可以是正又可以是负的电流。再者，EP-A-1 271 767中所描述的设备包含输出阻抗，其功能是吸收反向传播信号的高频分量，但这导致了被传输信号中的损耗。
因此存在对双向耦合设备的需求，所述双向耦合设备即能够从第一组件传输信号给第二组件，并且无需调整设备的结构能够从第二组件传输信号给第一组件。此外，还存在对于具有高带宽，即从几kHz到40GHz的耦合设备的需求。此外，这种设备必须具有能使其集成到MMIC中的尺寸。最后，它必须通过实现用户要求的任何电压-电流对的输入输出耦合，尽可能地通用。
发明内容
因此，本发明提出一种用于耦合第一组件和第二组件间的高频信号的设备，所述设备适于提供第一偏置电压-电流对给第一组件和第二偏置电压-电流对给第二组件。
本发明还提出了这样一种耦合设备，包含第一和第二传输线、多个连接到第一和第二传输线并沿传输线分布的电压限幅器、连接到第一电源电压端口和第一传输线并沿第一传输线分布的第一组电流限幅器，以及连接到第二电源电压端口和第二传输线并沿第二传输线分布的第二组电流限幅器。
本发明还具有一个或多个下面的特性-电流限幅器包含二极管，-电流限幅器包含电流反射镜，-电流限幅器包含晶体管，-电压限幅器包含二极管，-组件是电子的，-组件是光-电的，-第一和第二传输线以电容性的方式相互耦合，-根据本发明的耦合设备适于集成到第一组件或第二组件中。
在阅读本发明的实施例的详细描述后，本发明其它特性和优势将变得显而易见，所述实施例仅以举例方式给出并参照了附图，在附图中图1是根据本发明的耦合设备1的功能框图。
图2是根据本发明耦合设备1的部分功能框图。
具体实施例方式
本发明提出一种用于耦合第一组件3和第二组件5间的高频信号的耦合设备1。在这些组件3、5间的高频信号传输的时候，耦合设备1可以提供第一偏置直流电压-电流对(Ve、Ie)给第一组件3。这种耦合设备1还可提供第二偏置直流电压-电流对(Vs、Is)给第二组件5。从而，在传输这种信号的时候，耦合设备1可以提供专用于第一组件3的电压Ve和工作电流Ie。类似地，这种耦合设备1还可以提供专用于第二组件5的电压Vs和工作电流Is。这些所需的电压或电流Ve、Ie、Vs、Is可以是任何类型，例如正或负、直流或交流。这种用于选择所供电压Ve、Ie、Vs、Is的设施使得在在耦合设备1的输入端和输出端，组件3、5的顺序变得不重要了。因此，就高频信号的传播来看，根据本发明的耦合设备1是双向的。
图1是根据本发明的耦合设备1的功能框图。耦合设备1包含输入端口P1和输出端口P2。
端口P1具有输入电压Ve和输入电流Ie，P2具有输出电压Vs和输出电流Is。耦合的组件3、5(未在图1中示出)连接到输入端口P1和输出端口P2。耦合设备1可以因此能在两种可能的信号传播方向上操作，例如从端口P1到端口P2，反之亦然。耦合设备1经它的第一电源电压端口P3提供第一直流电压Vdd以及经它的第二电源电压端口P4提供第二直流电压Vss。在高频，这些端口P3和P4连接到地面的电势。
在以下说明中使用了以下一般概念来评估设备的各种组件的数量和尺寸。
无损传输线是线状、带状或其它电导体，通过相对于地面的每单位长度的电感L和的每单位长度的电容C来表征。
这种无损传输线的特性阻抗Z是通过Z2＝L/C定义的。这种特性阻抗对应于连接到线路末端的电阻值，所述线路使得在该线路上传播的任何电信号能够无损或无反射地被接收。
如果传输线是不连续的而是连接到地的电感L(且与整个长度比是小尺寸)的各个电感器和电容C的各个电容器的断续序列，那么这种结构被称为人工传输线。
该线路与等效的连续线路具有相同的电磁传播属性，特别是根据公式(2πf)2LC＜1，假设信号的频率f具有上限，则具有由Z2＝L/C给出的相同阻抗Z。因此，数越大尺寸越小-并且因此电感L的各个电感器和电容C的各个电容器值越低-，较高工作频率越大。上述公式和微型制造设备的技术知识使得获得所要求的较高工作频率需求的几何尺寸能够被估计。
图2是根据本发明耦合设备1的部分功能框图。耦合设备1包含第一和第二电源端口P3和P4。耦合设备1还包含第一传输线7，该传输线的末端是输入端口P1。耦合设备还包含第二传输线9，该传输线的末端是输出端口P2。
第一和第二传输线7、9的偏置是不同的，并且通过连接在两条线7、9间的电压限幅器21、22、23链接。电压限幅器21、22、23因此产生电压降。因此，一旦两个传输线电压中的一个被固定，则第二传输线的电压能通过改变电压限幅器21、22、23来选择。
电压限幅器21、22、23是分布式的，也就是沿两条传输线7、9有规律地展开，以便于避免高频信号传输期间的任何损耗。耦合电容61、62、63同样以规则的间隔在两条线路间排放。实际上，在高频工作中，两个传输线7、9间的分离电路元件(与电压限幅器21、22、23或耦合电容61、62、63相关的接地电容器)穿过高频信号传输的电磁反射产生损耗。当这些元件大量分布时，这些不期望的阻抗和电容是不明显的，因此它们的电子数值L和C满足上文公式中所提到的工作频率f。考虑到分布元件的电抗，当由两个传输线7、9和电压限幅器21、22、23形成的系统的特性阻抗等于耦合设备1的输入处的传输电缆的特性阻抗时，这些不期望的阻抗和电容也是不明显的。考虑到分布元件的电抗，当由两个传输线7、9和电压限幅器21、22、23形成的系统的特性阻抗等于耦合设备1的输出处的传输电缆的特性阻抗时，这些不期望的阻抗和电容也是不明显的。上文提到的阻抗Z的公式Z2＝L/C使得分离元件形成比例，以便于均衡输入和输出传输电缆的电阻。这种阻抗的均衡性保证了传输信号的无反射。输入传输电缆对应于连接第一组件3到耦合设备1的电线。输出传输电缆对应于连接第二组件5到耦合设备1的电线。
电压限幅器21、22、23沿两个传输线7、9平行分布。有许多小的电压限幅器21、22、23，以便获得高于要传输的信号的最大频率的截止频率。如上文所解释的那样，这些电压限幅器21、22、23的数量和尺寸通过公式(2πf)2LC＜1来确定。如果情况不是这样，由于电磁反射，高于截止频率信号分量将不会被发送。
固定了使用的电压限幅器21、22、23数量的是耦合设备1所需要的高截止频率f(典型地是几十GHz)，以便电感L的各个电感器的值L和电容C的各个电容器的值C对每个电压限幅器21、22、23都符合公式(2πf)2LC＜1。电压限幅器21、22、23的总的有效部分意义上的尺寸由低截止频率(几十kHz或甚至0Hz)来固定。例如，如果10kHz的低频是足够的，那么它足够用于选择具有相对高寄生串联电阻的小电压限幅器21、22、23。事实上，在高频，这些寄生串联电阻是通过耦合电容器61、62、63来短路的。为获得非常低的频率，需要增加电压限幅器21、22、23的尺寸或数量，以便使这些寄生串联电阻的影响最小化，并因此使它们导致的损耗最小化。就由一串电感器和电容器形成的人工传输线而言，以相同的方式计算特性阻抗，所述人工传输线包括连接电压限幅器21、22、23的并联电容(shunt capacitance)和连接它们的传输线7、9的串联电感。
图2还显示了耦合设备1的第一电源端口P3和第一传输线7的间的第一电流限幅器11、12、13。这些第一电流限幅器11、12、13具有它们的参数集以向电源电压限幅器21、22、23馈送电流，所述电流能使它们能按要求工作，也就是说产生要求的电压降。这些第一电流限幅器11、12、13还具有它们的参数集，以向输入端口P1提供要求的输入电流Ie。
这些第一电流限幅器11、12、13有规律地分布以便限制处于高频的分离的寄生电容、电阻和阻抗的出现而导致的损耗。图2显示了这样的三个第一电流限幅器11、12、13。它们的数量信赖于要求的高截止频率，如上文所解释的，所述高截止频率是从公式(2πf)2LC＜1计算得来的。所述要求的高截止频率f是每个电压限幅器21、22、23的各个电容器的电容C和元件间线路段的各个电感器的电感L的递减函数。
类似地，第二电流限幅器41、42、43放置于第二传输线9和第二电源端口P4之间。这些第二电流限幅器41、42、43具有它们的参数集以吸收来自电压限幅器21、22、23的电流。这些第二电流限幅器41、42、43还具有它们的参数集，以便在输出端口P2提供期望的输出电流Is。
这些第二电流限幅器41、42、43同样有规律地分布，以便限制在高频和低频下寄生电容、电阻和阻抗的出现导致的损耗。这些第二电流限幅器41、42、43因此保持恒定的宽频带传输系数(输出振幅对输入振幅的比率)。图2显示了三个第二电流限幅器41、42、43。它们的数量取决于要求的高截止频率，这和在上文提到的电流限幅器11、12、13的情况一样。
第一电流限幅器11、12、13和同样地第二电流限幅器41、42、43可以是晶体管。这些晶体管提供独立于其连接到的传输线(7或9)电压的恒定电流。这些晶体管因此使得通过它们的恒定电流的调整成为可能，甚至在安装之后。根据耦合设备将要集成到的微型电子线路的技术，双极晶体管或者场效应晶体管都可以被使用。
第一电流限幅器11、12、13和同样地第二电流限幅器41、42、43还可以是具有恒定电流的参数集的二极管。二极管的安装比晶体管的安装更简单。二极管在安装后不允许对通过它们的电流进行调整。唯一可能的是将一个二极管用另一个具有要求的工作电流的二极管替代。
第一电流限幅器11、12、13和同样地第二电流限幅器41、42、43也可以是限幅电阻器(limiter resistor)。这种限幅电阻器保证从特定电压进行电流限制。此外，电阻限幅器易于安装。然而，限幅电阻器不允许在安装后对通过它们电流的进行调整。
对电流限幅器11、12、13、41、42、43来说，由于电流反射镜电路，使用HBT(异质双极晶体管)技术也是可能的。电流反射镜电路使得能够产生可调整的电流限幅器，其控制信号可很好地从传输的高频信号去耦。
电压限幅器21、22、23可以包含二极管。所述二极管在传输线7、9间产生两个所需的电压降。二极管的类型根据微型电子技术而有所不同。二极管优选地工作在偏压，这样它的微分电阻较低。例如，pn二极管在第一传输线7上所含的电压比在第二传输线9上的更高。这可以通过使用奇纳二极管来避免，奇纳二极管使得设备双向工作，因为输入电压Ve和输出电压Vs比根据奇纳二极管的激励电流的电压更高。
还可以串联使用若干的二极管用于电压限幅器21、22、23。对于电压限幅器的相同工作电流，这会产生更大的电压降。此外，由于二极管在完成制作时的结电压，因此总的压降取决于串联的二极管的数量。
图2还显示了与电压限幅器21、22、23并联的耦合电容器61、62、63。这些电容器61、62、63的每一个限制高频损耗。电流的直流分量通过电压限幅器21、22、23，高频分量通过耦合电容器61、62、63。因此，在高频，可能与电压限幅器21、22、23以串连形式的出现的并且导致损耗的任何寄生电阻的影响，都受到旁路耦合电容器61、62、63的限制。事实上，耦合电容器61、62、63吸收电流的高频分量。
这些耦合电容器61、62、63沿传输线7，9分布。耦合电容器61、62、63的数量和值通过设备所要求的高和低截止频率固定。如上所述，高截止频率从公式(2πf)2LC＜1获得。低截止频率取决于电压限幅器21、22、23的并联组合的串联电阻。如果使用合适的技术将该电阻的值减少到比特性电阻还低得多的值，则低截止频率接近于0。
因此，假设电压限幅器21、22、23与传输线7和9间的电容器结合，则传输线7和9与低特性电阻耦合。从而，关于端口P1和P2的特性电阻实质上是相等的，并且由所有线路的每单位长度电感和由所有电流限幅器11、12、13、...、41、42、43，...的每单位长度电容来确定。
用于电压限幅器21、22、23和电流限幅器11、12、13、41、42、43的所有这些组件都有一平方微米的数量级。通常不使用电感，它们的尺寸常常比其它组件要大。耦合设备1的集成化制作因此是可能的。因此，耦合设备1可以集成到MMIC中。
该耦合设备1可以进一步集成到第一或第二组件3、5中。能够选择两者中具有更适合的材料和技术的任何一个是有益的。
耦合设备1可以用于连接放大器和调制器，以及任何其它电子或光电组件。这可以是Mach-Zener调制器，或甚至使用微波信号(任何在1GHz以上的频率)的任何组件。两个放大器可以因此通过当前耦合设备1耦合。通过选择耦合设备1的输入和输出电压和电流Ve、Ie、Vs、Is对以及耦合设备1的特性阻抗的可能性，使这种耦合变得容易。
可以在半绝缘体基片上使用高速III-V HEMT(高电子迁移率晶体管)技术或任何其它采用共面传输线7、9的技术来制造耦合设备1。这里的共面线路是并排的，而不是一个在另一个之上。因此不需要具有穿过的半绝缘基片的互连通孔。这避免了钻孔穿过基片来连接电路元件到中性点电压。
两个传输线7、9可以采用耦合线路的形式构成，一个在另一个之上并且被例如氮化硅的绝缘薄层分开。
本发明的耦合设备1可以传递低频和高频两种信号，也就是说，直流信号和频率高于100MHz的信号。耦合设备1无损地实现这种传递并且具有上文列出的优势，甚至还具有对本领域技术人员来说，根据本专利申请将清楚并且明确的其他优势。
权利要求
1.一种用于耦合第一组件和第二组件间高频信号的设备，其适于提供-第一偏置电压电流对给第一组件，和-第二偏置电压电流对给第二组件。
2.根据权利要求1的设备，包含-第一和第二传输线，-多个连接到所述第一和第二传输线，并且沿所述传输线分布的电压限幅器，-连接到第一电源电压端口和所述第一传输线，并且沿所述第一传输线分布的第一组电流限幅器，和-连接到第二电源电压端口和所述第二传输线，并且沿所述第二传输线分布的第二组电流限幅器。
3.根据权利要求2的设备，其中，电流限幅器包含二极管。
4.根据权利要求2的设备，其中，电流限幅器包含电流反射镜。
5.根据权利要求2的设备，其中电流限幅器包含晶体管。
6.根据权利要求2的设备，其中电压限幅器包含二极管。
7.根据权利要求1的设备，其中组件是电子的。
8.根据权利要求1的设备，其中组件是光电的。
9.根据权利要求1的设备，其中所述第一和第二传输线是以电容性的方式相互耦合的。
10.根据权利要求1的设备，其中所述耦合设备适于集成到所述第一组件或所述第二组件中。
全文摘要
一种用于耦合第一组件和第二组件间高频信号的设备，该设备适于提供第一偏置电压－电流对给第一组件和提供第二偏置电压－电流对给第二组件。
文档编号H03F3/60GK101034876SQ20071007883
公开日2007年9月12日 申请日期2007年2月16日 优先权日2006年2月20日
发明者G·波斯特, C·莫里亚尼 申请人:阿尔卡特朗讯公司