CN112305689A - 基于超透镜的激光器和硅光芯片耦合结构 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

基于超透镜的激光器和硅光芯片耦合结构
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
下面结合附图及实施例详细说明本发明，但不应以此限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明基于超透镜的激光器和硅光芯片耦合结构，包括激光器101、隔离器201和硅光芯片301，所述的隔离器201的两侧表面分别集成准直超透镜202和耦合超透镜203，所述的准直超透镜202、所述耦合超透镜203和所述隔离器201共光轴，沿所述的激光器101的激光输出方向依次是所述的准直超透镜202、隔离器201、耦合超透镜203和硅光芯片301。
所述的准直超透镜202和耦合超透镜203为通过硅沉积和硅刻蚀工艺直接在隔离器201两侧表面形成的亚波长结构。
所述的准直超透镜202和耦合超透镜203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。
基于超透镜的激光器和硅光芯片耦合结构，依次设置为一激光器101、一隔离器201(表面集成有准直超透镜202、耦合超透镜203)以及一硅光芯片301。所述隔离器201、隔离器表面的准直超透镜202、耦合超透镜203共光轴。具体的，光从激光器101出射，首先经过隔离器201的准直超透镜202，之后经过隔离器201，再到耦合超透镜203，最终聚焦耦合至硅光芯片301中。
所述隔离器201的两侧的表面分别集成有准直超透镜202以及耦合超透镜203，其中超透镜的概念图如图2a所示。实现方式以及原理如下：如图2b所示为光透射经过隔离器和超透镜的原理图，入射光照射在x-y平面，沿z轴正方向传播，经过超透镜后在焦距为f的焦点处聚焦。如图2c所示，以隔离器为基底，利用硅沉积、光刻、硅刻蚀等工艺，在隔离器201表面覆盖高度为H的硅纳米柱，形成亚波长纳米结构单元。如图2d所示，亚波长纳米结构单元的尺寸为a×a，沉积的硅纳米柱的长度为L，宽度为W，与x轴所成的夹角为θ，对于单个的亚波长纳米结构单元，固定单元尺寸不变，当改变硅纳米柱的长度L，宽度W，或者夹角θ时，可以改变光波的相位，将多个亚波长纳米结构按照一定的规律排布，入射光的相位、振幅和偏振等会发生改变。对于从激光器出射的光束而言，光能量分布平面为x-y平面，沿z轴正方向为传播方向，以出射光中心为原点，超透镜在x-y平面的相位分布应为：
Figure BDA0002755496970000041
其中，λd为激光器的出射光波长，f为焦距。因此，在对应的x-y平面各点处，按照所需要的相位设计对应的硅纳米柱尺寸以及旋转角度，对多个形态各异的亚波长纳米结构单元进行合理排布，就可以形成超透镜结构，实现聚焦的功能。
准直超透镜202以及耦合超透镜203均可以通过在隔离器201表面通过硅沉积与硅刻蚀实现，并且它们可以通过光刻对准，使得隔离器201、准直超透镜202、耦合超透镜203三者共光轴。图3所示为传统采用分立透镜和隔离器实现激光器到硅光芯片的耦合方案。相比之下，采用超透镜替代原有的分立透镜，提高了耦合效率，也使得整体结构更加紧凑，减小了封装复杂度和成本。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (3)

1.一种基于超透镜的激光器和硅光芯片耦合结构，其特征在于：包括激光器(101)、隔离器(201)和硅光芯片(301)，所述的隔离器(201)的两侧表面分别集成准直超透镜(202)和耦合超透镜(203)，所述的准直超透镜(202)、所述耦合超透镜(203)和所述隔离器(201)共光轴，沿所述的激光器(101)的激光输出方向依次是所述的准直超透镜(202)、隔离器(201)、耦合超透镜(203)和硅光芯片(301)。
2.根据权利要求1所述的基于超透镜的激光器和硅光芯片耦合结构，其特征在于：所述准直超透镜(202)和耦合超透镜(203)为通过硅沉积和硅刻蚀工艺直接在隔离器(201)两侧表面形成的亚波长结构。
3.根据权利要求1所述的基于超透镜的激光器和硅光芯片耦合结构，其特征在于：所述准直超透镜(202)和耦合超透镜(203)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。
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