[發明專利]基于超透鏡的激光器和硅光芯片耦合結構

在審

• 申請號: 202011201584.0
• 申請日: 2020-11-02
• 公開（公告）號: CN112305689A
• 公開（公告）日: 2021-02-02
• 發明（設計）人: 周林杰;王寧寧;陸梁軍;陳建平;劉嬌
• 申請（專利權）人: 上海交大平湖智能光電研究院;上海交通大學
• 主分類號: G02B6/42
• 分類號: G02B6/42
• 代理公司: 上海恒慧知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 31317
• 代理人: 張寧展

一種基于超透鏡的激光器和硅光芯片耦合結構，其特點在于：包括激光器、隔離器和硅光芯片，所述的隔離器的兩側表面分別集成準直超透鏡和耦合超透鏡，所述的準直超透鏡、所述耦合超透鏡和所述隔離器共光軸，沿所述的激光器的激光輸出方向依次是所述的準直超透鏡、隔離器、耦合超透鏡和硅光芯片。本發明與傳統分立透鏡和隔離器相比具有更加緊湊，超透鏡可以根據激光和硅光波導模斑尺寸定制設計，耦合效率更高。超透鏡和隔離器集成在一起，通過光刻對準，大幅簡化了激光器和硅光芯片的耦合難度。

技術領域

本發明涉及光通信的集成光學領域，尤其涉及一種基于超透鏡的激光器和硅光芯片耦合結構。

背景技術

近些年來，硅基光電子技術得到了快速發展。硅波導由于芯層和包層具有較高的折射率對比度，對光有著較強的束縛作用，因此硅基光波導器件尺寸較小，集成度較高。硅基光電子器件制造加工工藝與CMOS兼容，易于實現低成本規模化生產。目前，硅基光電子芯片在相干光通信、光學傳感、激光雷達、微波光子學等領域得到了重要應用，例如，硅基光收發芯片已經在光通信、光互連領域取得了量產開發。

集成化光源是近些年來硅基光電子領域的研究熱點。硅作為一種間接帶隙材料，電子和空穴復合無法產生光子。目前業界實現的硅基光源主要是使用相對成熟的III-V族材料和硅光芯片進行集成。從具體實現方式來看，分為直接在硅材料上外延生長III-V族材料的單片集成，使用晶圓鍵合或者轉印技術的異質集成，以及基于空間光耦合或端面對接耦合的混合集成三種類型。在硅基芯片上外延生長III-V族半導體材料制作光源，此種方案存在晶格失配問題，光源可靠性有待提高。晶圓鍵合雖然解決了兩種材料間的晶格失配問題，但對鍵合工藝要求較高，且異質集成器件的成品率還有待提高。在混合集成方案中，通過透鏡、隔離器等組件來將III-V芯片出射的光耦合進入硅光芯片，這種方式可以對兩種芯片分別獨立優化，因此可以獲得優異的激光性能，但是由于引進了透鏡等組件，整體光源模塊在體積和封裝成本上不占優勢。采用激光器芯片倒裝倏逝波耦合，則需要高精度的對準設備，對設備和工藝要求苛刻。

發明內容

本發明提供一種基于超透鏡的激光器和硅光芯片耦合結構，具有耦合效率高，整體結構更緊湊的特點。

本發明的技術解決方案如下：

一種基于超透鏡的激光器和硅光芯片耦合結構，其特點在于：包括激光器、隔離器和硅光芯片，所述的隔離器的兩側表面分別集成準直超透鏡和耦合超透鏡，所述的準直超透鏡、所述耦合超透鏡和所述隔離器共光軸，沿所述的激光器的激光輸出方向依次是所述的準直超透鏡、隔離器、耦合超透鏡和硅光芯片。

所述的準直超透鏡和耦合超透鏡為通過硅沉積和硅刻蝕工藝直接在隔離器兩側表面形成的亞波長結構。

所述的準直超透鏡和耦合超透鏡的微納結構分別與激光器波導和硅光波導數值孔徑相匹配，以最大化激光和硅光波導的耦合效率。

本發明有益的技術效果在于：

1)可以實現激光器和硅光芯片的耦合，超透鏡直接制作于隔離器的表面，大幅度減小了整體耦合結構尺寸；

2)超透鏡可以根據激光器波導和硅光波導模斑及數值孔徑定制化設計，耦合效率高；

3)超透鏡和隔離器之間通過光刻設備對準，對準精度高、誤差小。

附圖說明

圖1為本發明基于超透鏡的激光器和硅光芯片耦合結構的總體示意圖；

圖2a為本發明的超透鏡結構的概念圖，圖2b為超透鏡的原理圖，圖2c為超透鏡亞波長納米單元結構三維透視圖，圖2d為本發明超透鏡亞波長納米單元俯視圖；

圖3為傳統方案中使用分立透鏡和隔離器元件進行激光器和硅光芯片耦合的示意圖。

具體實施方式