[發明專利]一種直接耦合光器件及其封裝方法

在審

• 申請號: 202110087668.4
• 申請日: 2021-01-22
• 公開（公告）號: CN112649925A
• 公開（公告）日: 2021-04-13
• 發明（設計）人: 周奇;鄭俊守;王宗旺;黃小偉;夏曉亮
• 申請（專利權）人: 杭州芯耘光電科技有限公司
• 主分類號: G02B6/42
• 分類號: G02B6/42;G02B6/122
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明通過設計多波導結構的邊緣耦合器，在邊緣耦合器內部設計光模斑轉換結構，使激光器出射光依次通過邊緣耦合器的條形波導陣列、異形波導、倒錐形波導以及出光波導，并采用先進的封裝工藝，將激光器、邊緣耦合器、硅光芯片封裝于管殼內，省略掉了模斑轉換透鏡，降低了封裝工藝難度，減小了封裝器件尺寸。

技術領域

本發明涉及半導體器件領域，具體的是一種直接耦合光器件及其封裝方法。

背景技術

隨著信息技術的高速發展，高度集成化小型化逐步成為各類半導體器件發展的主流方向。光通信領域，由于光束耦合的特殊需求，光器件封裝工藝復雜、組件繁多，封裝尺寸較大，減小其封裝尺寸對光模塊解決方案的優化具有重要意義。

目前業內光電芯片與激光器、光纖之間的耦合大多采用多透鏡方案，例如激光器出光端，采用透鏡將激光器的出射光（發射高斯光束）準直、聚焦到光波導，過程中會使用2組透鏡陣列，增加了激光器耦合的工藝復雜度，同時增大了封裝后半導體器件的尺寸。

發明內容

本發明提供一種直接耦合光器件，采用激光器與光波導直接耦合方案，省掉了激光器與光波導之間的2組透鏡，這種耦合方式將有效減小光器件的封裝尺寸。

圖1所示為半導體激光器結構示意圖，其有源層發出激光，為了防止激光同時向兩個方向發射，通常在不需要光出口的端面鍍高反膜，而在激光出射端口鍍減反介質膜。實現受激發射光的方式一般有電流激勵、光激勵、化學激勵、高能電子束激勵等，由于電流激勵方式簡單，該方式為廣泛采用的激勵方案。

為了實現半導體激光器內部異質結能夠受激發射光子，對異質結施加電壓，使有源區內有不斷的非平衡載流子注入，加上有源區與其兩側的波導層和包層所引起的光波導效應，使得低能態價帶頂的空穴數量少于高能態導帶底的電子數，實現電子躍遷，發射出光子。當然，要產生相干受激輻射光，單有受激發射過程是不夠的，還需要有光學諧振腔的共同作用才行，只有實現穩定的激光振蕩才能產生相干光。

由于激光器有源區厚度較小，其端面光出射口的形狀類似于狹縫狀，激光器快軸發散角通常大于慢軸發散角，即沿有源區厚度方向的發散角大于沿有源區寬度方向的發散角，因此其遠場分布通常呈橢圓形。

如圖2所示，在現有技術中微透鏡耦合方案采用兩組微透鏡陣列分別對激光器出射光束準直、聚集，以實現高斯光束的變換。激光器輸出光束變化從圖3中可以看出，W₀為激光器輸出光束的束腰半徑，W₀^’是經過透鏡f₁變換后的束腰半徑，W₀^’’為經透鏡f₂變換后的束腰半徑。

本發明提出了一款直接耦合的光器件，激光器與波導直接耦合，將波導設計為可直接耦合的多波導邊緣耦合器結構，其功能與現有技術中的透鏡相當。直接耦合光器件將激光器、邊緣耦合器、硅光芯片封裝于一體，激光器的出光端口直接與邊緣耦合器的光輸入端口耦合，邊緣耦合器的光輸出端口與硅光芯片光輸入端耦合。

由于激光器出射光模場尺寸與波導尺寸的模場失配，直接耦合將產生耦合效率降低的問題，本發明為了解決該關鍵問題，對波導結構進行了重新設計，采用多波導結構端與激光器出射端口直接耦合。

在波導結構的設計方面，主要考慮多波導結構的光輸入端與激光器光出射端面的模斑匹配，調整波導陣列中的各個波導間的距離、各個波導的寬度以及波導的數量，以使多波導光輸入端的模斑尺寸與激光器出射光模斑尺寸匹配。例如在一個實施例中，波導的數量為6個，每個波導的寬度為150nm，每個波導的間距為400nm。