[發(fā)明專利]半導(dǎo)體激光器芯片與硅光芯片的耦合結(jié)構(gòu)及耦合方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910687036.4
• 申請日: 2019-07-26
• 公開（公告）號: CN110401101A
• 公開（公告）日: 2019-11-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李金野;劉建國;戴雙興
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所
• 主分類號: H01S5/026
• 分類號: H01S5/026;G02B6/12
• 代理公司: 中科專利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司 11021
• 代理人: 吳夢圓

一種半導(dǎo)體激光器芯片與硅光芯片的耦合結(jié)構(gòu)及耦合方法，該耦合結(jié)構(gòu)包括激光器單元，其包含有激光器芯片；硅光芯片，其上設(shè)有波導(dǎo)；以及刻蝕槽，其設(shè)置在硅光芯片的耦合端，用于連接激光器單元和硅光芯片。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)半導(dǎo)體激光器芯片與硅光芯片的高效率耦合，有利于為硅光混合集成提供高品質(zhì)光源，本發(fā)明在硅光芯片耦合端面鍍了增透膜，同時減小了耦合損耗和激光器的RIN噪聲，且在激光器芯片和硅光芯片的縫隙中填充折射率匹配膠，減小了光場散射損耗，進一步減小了耦合損耗。

技術(shù)領(lǐng)域

本公開屬于光子集成領(lǐng)域，更具體地涉及一種半導(dǎo)體激光器芯片與硅光芯片的耦合結(jié)構(gòu)及耦合方法。

背景技術(shù)

當(dāng)前光通信的一個發(fā)展趨勢是實現(xiàn)集成化，類似于集成電路，將光通信系統(tǒng)集成在單一光電子芯片上，只有集成化才能實現(xiàn)高密度、低成本、低能耗，滿足信息社會信息急速膨脹的需求。近些年，硅基光電集成取得了一系列令人振奮的成果，如硅基光波導(dǎo)、光開關(guān)、調(diào)制器以及探測器均已實現(xiàn)，但真正能夠?qū)嵱玫墓杌庠慈詰叶礇Q。這主要由于硅是間接帶隙半導(dǎo)體，輻射復(fù)合過程需要聲子的參與，因而發(fā)光效率很低。近些年來，硅基光源的研究取得了一些進展，比如得到全光硅拉曼激光，實現(xiàn)室溫電致Ge(鍺)激光器，突破了硅上GeSn(鍺錫)激光以及硅上集成/外延III-V激光。但制備高質(zhì)量的光源材料，工藝復(fù)雜且不成熟，單片集成的硅基光源出光功率很低，RIN(相對強度噪聲)噪聲比較差，無法滿足很多應(yīng)用場合對于光源大功率及高性能的需求。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明的主要目的之一在于提出一種半導(dǎo)體激光器芯片與硅光芯片的耦合結(jié)構(gòu)及耦合方法，以期至少部分地解決上述技術(shù)問題中的至少之一。

為了實現(xiàn)上述目的，作為本發(fā)明的一個方面，提供了一種半導(dǎo)體激光器芯片與硅光芯片的耦合結(jié)構(gòu)，包括：

激光器單元，其包含有激光器芯片；

硅光芯片，其上設(shè)有波導(dǎo)；以及

刻蝕槽，其設(shè)置在硅光芯片的耦合端，用于連接激光器單元和硅光芯片。

作為本發(fā)明的另一個方面，還提供了一種如上所述耦合結(jié)構(gòu)的制備方法，包括如下步驟：

(1)在硅光芯片的耦合端面設(shè)置用于和激光器單元中的激光器芯片耦合的刻蝕槽，得到硅光芯片一；

(2)在激光器單元的襯底上需要連接硅光芯片的位置上設(shè)置墊塊；

(3)將激光器芯片的有源區(qū)與硅光芯片一的波導(dǎo)對準(zhǔn)后，在硅光芯片的刻蝕槽內(nèi)與激光器芯片之間設(shè)置折射率匹配膠，在墊塊與硅光芯片之間設(shè)置固定膠固定，即得到所述的耦合結(jié)構(gòu)。

作為本發(fā)明的又一個方面，還提供了一種光電集成系統(tǒng)，內(nèi)含有如上所述耦合結(jié)構(gòu)或如上所述制備方法得到的耦合結(jié)構(gòu)。

基于上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明半導(dǎo)體激光器芯片與硅光芯片的耦合結(jié)構(gòu)及耦合方法相對于現(xiàn)有技術(shù)至少具有以下優(yōu)勢之一：

1、本公開的結(jié)構(gòu)中硅光芯片耦合端制備有模斑變換器(SSC)，使激光器芯片的微米級光模場與硅光芯片中的亞微米級光模場高效匹配，實現(xiàn)光場低損耗(仿真損耗小于1dB)轉(zhuǎn)換；

2、本公開的結(jié)構(gòu)中在激光器芯片和硅光芯片的縫隙中填充折射率匹配膠，減小了光場散射損耗，進一步減小了耦合損耗；

3、本公開的結(jié)構(gòu)中硅光芯片耦合端面鍍了增透膜，減小了光反射，降低耦合損耗的同時減少了反射波對激光器的干擾，減小了激光器的RIN噪聲(＜-150dBc/Hz)；

4、本公開的結(jié)構(gòu)中兩芯片耦合的微小高度差通過在硅光芯片和墊塊之間利用毛細效應(yīng)注入紫外固化膠來補償，在固化過程中可以不斷調(diào)整硅光芯片的位置以達到耦合的最佳狀態(tài)，使芯片之間耦合更靈活，不受限于機械加工精度且耦合效果更好。