[发明专利]基于超透镜的激光器和硅光芯片耦合结构

说明书

一种基于超透镜的激光器和硅光芯片耦合结构，其特点在于：包括激光器、隔离器和硅光芯片，所述的隔离器的两侧表面分别集成准直超透镜和耦合超透镜，所述的准直超透镜、所述耦合超透镜和所述隔离器共光轴，沿所述的激光器的激光输出方向依次是所述的准直超透镜、隔离器、耦合超透镜和硅光芯片。本发明与传统分立透镜和隔离器相比具有更加紧凑，超透镜可以根据激光和硅光波导模斑尺寸定制设计，耦合效率更高。超透镜和隔离器集成在一起，通过光刻对准，大幅简化了激光器和硅光芯片的耦合难度。

技术领域

本发明涉及光通信的集成光学领域，尤其涉及一种基于超透镜的激光器和硅光芯片耦合结构。

背景技术

近些年来，硅基光电子技术得到了快速发展。硅波导由于芯层和包层具有较高的折射率对比度，对光有着较强的束缚作用，因此硅基光波导器件尺寸较小，集成度较高。硅基光电子器件制造加工工艺与CMOS兼容，易于实现低成本规模化生产。目前，硅基光电子芯片在相干光通信、光学传感、激光雷达、微波光子学等领域得到了重要应用，例如，硅基光收发芯片已经在光通信、光互连领域取得了量产开发。

集成化光源是近些年来硅基光电子领域的研究热点。硅作为一种间接带隙材料，电子和空穴复合无法产生光子。目前业界实现的硅基光源主要是使用相对成熟的III-V族材料和硅光芯片进行集成。从具体实现方式来看，分为直接在硅材料上外延生长III-V族材料的单片集成，使用晶圆键合或者转印技术的异质集成，以及基于空间光耦合或端面对接耦合的混合集成三种类型。在硅基芯片上外延生长III-V族半导体材料制作光源，此种方案存在晶格失配问题，光源可靠性有待提高。晶圆键合虽然解决了两种材料间的晶格失配问题，但对键合工艺要求较高，且异质集成器件的成品率还有待提高。在混合集成方案中，通过透镜、隔离器等组件来将III-V芯片出射的光耦合进入硅光芯片，这种方式可以对两种芯片分别独立优化，因此可以获得优异的激光性能，但是由于引进了透镜等组件，整体光源模块在体积和封装成本上不占优势。采用激光器芯片倒装倏逝波耦合，则需要高精度的对准设备，对设备和工艺要求苛刻。

发明内容

本发明提供一种基于超透镜的激光器和硅光芯片耦合结构，具有耦合效率高，整体结构更紧凑的特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于超透镜的激光器和硅光芯片耦合结构，其特点在于：包括激光器、隔离器和硅光芯片，所述的隔离器的两侧表面分别集成准直超透镜和耦合超透镜，所述的准直超透镜、所述耦合超透镜和所述隔离器共光轴，沿所述的激光器的激光输出方向依次是所述的准直超透镜、隔离器、耦合超透镜和硅光芯片。

所述的准直超透镜和耦合超透镜为通过硅沉积和硅刻蚀工艺直接在隔离器两侧表面形成的亚波长结构。

所述的准直超透镜和耦合超透镜的微纳结构分别与激光器波导和硅光波导数值孔径相匹配，以最大化激光和硅光波导的耦合效率。

本发明有益的技术效果在于：

1)可以实现激光器和硅光芯片的耦合，超透镜直接制作于隔离器的表面，大幅度减小了整体耦合结构尺寸；

2)超透镜可以根据激光器波导和硅光波导模斑及数值孔径定制化设计，耦合效率高；

3)超透镜和隔离器之间通过光刻设备对准，对准精度高、误差小。

附图说明

图1为本发明基于超透镜的激光器和硅光芯片耦合结构的总体示意图；

图2a为本发明的超透镜结构的概念图，图2b为超透镜的原理图，图2c为超透镜亚波长纳米单元结构三维透视图，图2d为本发明超透镜亚波长纳米单元俯视图；

图3为传统方案中使用分立透镜和隔离器元件进行激光器和硅光芯片耦合的示意图。

具体实施方式