一种大功率激光器及其衍射透镜制作方法与流程

本发明涉及一种光通信器件，具体涉及一种大功率激光器及其衍射透镜制造方法,特别是一种基于衍射硅耦合透镜的无制冷大功率激光器衍射透镜制作方法，满足数据中心长跨距光互连光收发模块对高功率激光输入的需求，本发明属于通信领域。

背景技术：

光收发模块经历了从收发单独到收发一体的发展历程,在收发一体光模块中,包含了发射、接收、各种功能电路、标准化光纤连接器和电信号接口等技术，形成高度集成的系统模块，其发展方向是高速率、低成本、小型化、热插拔、低功耗、智能化和远距离。

在数据中心的流量不断增长的情况下，数据中心的规模也随之不断扩大，对低成本、高速率(100Gb/s)并能传输较远距离(长达500米)的多路并行单模光收发模块的需求迅速被提上了日程。

图2是一个100Gb/s光收发模块工作原理图，PSM4光收发模块中采用了CMOS工艺制作的光电集成芯片，和外部激光器耦合后具有了完整的收发功能，既能对光信号进行高速调制、光电探测转换，还能对电信号进行预加重、均衡、放大以及数据时钟恢复，这种集成芯片满足了模块的小型化、低成本、低功耗要求。

该模块配备了一个为四个通道共享的激光器，发送端需要一个大功率连续光输出激光器和1X4splitter分路器，为四个传输通道同时提供光信号输出；和CLR4收发模块相比(需要四个高速直接调制激光器和合波器)，从器件成本、耦合封装效率、和集成度这些方面上来看，PSM4这种方案的优势显而易见，能够满足光模块的低成本、大规模生产和小型化的要求。

由于这种光电集成芯片中用于传输光信号的波导是SOI(Silicon on insulator)，模场处于亚微米尺度(约0.2um)，而激光器腰斑、光纤输出模场直径约为1.5～10um，如果直接将两者耦合会有很大的耦合损耗，需要在芯片上设计波导模场转换器进行转换实现模场匹配，减小耦合损耗，目前有两种类型：模斑转换器(Spot size converter)和光栅耦合器(Grating coupler)。

这种光电集成芯片对于外部激光器要求如下：第一是输出模场半径、数值孔径要和SOI波导模场转换器匹配；第二是在无制冷条件下实现大功率光输出，功率大于20mW；第三是单偏振态TE模输出；最后是尺寸紧凑，可靠性好。

满足上述要求的外部激光器的方案有两种：基于SiOB(Silicon Optical Bench)的硅基平台封装和同轴封装方案。

由于边发射激光器芯片非常小而且功耗接近300mW，只有约30％的电能转换成光能，其余的几乎都转换成热能，使得芯片内部具有很高的电流强度和热强度，所以激光器的散热非常关键。传统的同轴封装，由于底座、外壳采用的是可伐(KOVAR)合金、不锈钢，这些材料的导热系数低，热阻大，散热不佳，当外部环境温度为65℃时其PN结温超过100℃，持续过高的温度不仅减少了芯片发光效率还严重影响了边发射激光器芯片寿命；而采用硅基封装技术，硅材料的导热系数比同轴底座和外壳材料高一个数量级，热阻小，当外部环境温度为65℃时其PN结温约为80℃，适合大功率激光器的散热要求。

同轴封装中边发射激光器芯片与光纤的耦合是通过有源方式对准，整个封装过程采用手工组装方式完成，效率低，封装和测试成本占了光电器件总成本的65％。硅基平台封装工艺是一种无源对准技术，它具有很高的生产效率和较低的成本，是目前器件封装发展的方向。

采用SiOB硅基封装技术的有美国专利U.S.Pat.No.8772704(Michael Mack et al.)，激光器和光电集成芯片上的光栅进行垂直耦合。激光器由边发射激光器芯片、球透镜、隔离器组件、反射镜和硅基板组成。边发射激光器芯片输出的发散光束由透镜汇聚后，经过隔离器组件、反射镜后，垂直入射到光电集成芯片的光栅耦合器上。

要获得较高的激光器输出功率，一是提高边发射激光器芯片的输出功率；二是提高系统的耦合效率。正如前面所分析的，边发射激光器芯片在大电流、高功率输出条件下可靠性和发光效率存在问题，所以提高耦合效率是优先选择方案。

影响边发射激光器激光器芯片与波导模场转换器耦合效率的主要因素有:激光器与模场转换器之间的模场半宽失配、耦合透镜的像差，其中透镜球差对耦合效率的影响最大。美国专利U.S.Pat.No.8772704中的所有激光器封装方案都是采用球透镜，通过模拟计算400um和500um两种尺寸蓝宝石球透镜和模斑转换器(Spot size converter)端面耦合，其中球差带来耦合损耗分别是2.0dB和2.5dB，由此可见这种技术方案的耦合效率低，要获得高功率输出，需要加大激光器芯片输出功率，由于大功率激光器芯片的可获取性、成本和可靠性都还存在问题，所以这种技术方案存在明显缺陷。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术方案的缺陷，提供一种基于衍射硅耦合透镜的无制冷大功率激光器及其衍射透镜制作方法。

本发明所采用的技术方案是：

一种大功率激光器，包括有边发射激光器芯片和波导模场转换器，所述边发射激光器芯片和波导模场转换器之间通过固定于硅基光基板上的硅基衍射透镜进行耦合，所述硅基衍射透镜工作端面上刻蚀有环状沟槽，沟槽底面呈倾斜面，沟槽倾斜面的波导深度呈H(r,θ)＝λΦf(r,θ)/2∏，r是硅基衍射透镜工作面上的极坐标距离，θ是硅基衍射透镜工作面上的极坐标方位角，Φf(r,θ)是硅基衍射透镜的相位分布，λ是入射光波长。

所述单个沟槽倾斜面上设置有多个连续的台阶，硅基衍射透镜的衍射效率与台阶数量的选取采用确定，L为台阶数量，η为硅基衍射透镜的衍射效率，L优选为4-16，L进一步优选为8。

所述硅基衍射透镜后端设置有隔离器组件。

所述硅基衍射透镜为圆柱体，其圆柱半径根据边发射激光器芯片的场发散角和边发射激光器芯片与硅基衍射透镜之间的距离确定。

所述硅基光基板上设置有V形槽，该V形槽的三个斜面对硅基衍射透镜的XYZ三个方向进行定位。

所述波导模场转换器为模斑变换器，所述硅基衍射透镜与模斑变换器进行平行端面耦合。

所述波导模场转换器为光栅耦合器，所述硅基衍射透镜后设置有反射镜，反射镜将光束偏转至垂直方向的光栅耦合器进行耦合。

所述硅基衍射透镜、隔离器组件、反射镜采用胶粘接方式和硅基光基板固定在一起，优选地在所述硅基光基板上通过设置对准标识、焊料凸点和V形槽以便于使所述边发射激光器芯片、硅基衍射透镜、隔离器组件、反射镜之间的位置精确对准。

所述硅基衍射透镜、隔离器组件、硅基光基板在光路经过的表面均镀有介质增透膜。

所述大功率激光器中的硅基衍射透镜的制作方法，计算所述硅基衍射透镜物方工作面上的相位分布Φ1(r，θ)，同时计算硅基衍射透镜像方工作面上的相位分布Φ2(r，θ)；得到硅基衍射透镜的相位分布Φf(r，θ)＝Φ2(r，θ)-Φ1(r，θ)-2m∏,0<Φf<2∏；把硅基衍射透镜的相位分布Φf(r，θ)转换成沟槽波导深度H(r，θ)分布，H(r)＝λΦf(r，θ)/2∏，得到了连续浮雕型环状沟槽波导结构。r是所述硅基衍射透镜工作面上的极坐标距离，θ是所述硅基衍射透镜工作面上的极坐标方位角。

本发明装置的优点是：

本发明装置采用硅衍射透镜，解决了边发射激光器芯片和模场转换器耦合中存在的模场半宽失配、耦合透镜的像差问题，能提高耦合效率，理论计算高达95％；同时利用在硅基光基板上制作V形槽等特征的成熟工艺实现了低热阻、低成本和高密度集成封装，有利于大规模生产的实现。

附图说明

图1是本发明大功率激光器示意图；

图2是光电集成芯片工作原理图；

图3是本发明模斑转换器(Spot size converter)外形图；

图4是光栅耦合器(Grating coupler)外形图；

图5是本发明硅基衍射透镜；

图6是本发明硅基光基板(SiOB)；

图7是二元台阶硅基衍射透镜的浮雕外貌图；

图8是衍射效率和台阶数关系图；

图9A是现有技术中V形槽工作原理图；

图9B是本发明中V形槽工作原理图；

图10A是本发明的大功率激光器与模斑变换器6进行端面耦合的示意图；

图10B是本发明的大功率激光器与光栅耦合器7进行垂直耦合的示意图。

其中：

1：边发射激光器芯片； 2：硅基衍射透镜；

3：隔离器组件； 4：反射镜；

5：硅基光基板； 6：模斑转换器；

7：光栅耦合器； 8：V形槽；

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的大功率激光器做出详细说明。

如图1所示，本发明提供了一种大功率激光器，包括有：边发射激光器芯片1、硅基衍射透镜2、隔离器组件3、反射镜4和硅基光基板(SiOB)5，所述硅基衍射透镜2、隔离器组件3和反射镜4采用胶粘接的方式和硅基光基板(SiOB)5固定在一起。如图10A所示，当这种大功率激光器和模斑转换器(Spot size converter)6进行平行端面耦合时，则不需要设置光束偏转反射镜4；如图10B所示，当这种大功率激光器和光栅耦合器(Grating coupler)7进行垂直端面耦合时，需要以图1所示方式设置光束偏转反射镜4，因此本发明的大功率激光器既可以和模斑变换器6进行端面耦合(如图10A所示)，又可以和光栅耦合器7进行垂直耦合(如图10B所示)。在硅基衍射透镜2后面放置隔离器组件3，能抑制在耦合端面等处产生的反射光返回到边发射激光器芯片1、从而保证激光器输出工作状态的稳定，降低功率噪声。本发明光栅耦合器如图4所示，图3是本发明模斑转换器外形图。

如图6所示，所述硅基光基板5上设置有对准标识、焊料凸点和V形槽8等特征，便于边发射激光器芯片1、硅基衍射透镜2、隔离器组件3、反射镜4等光学零件之间的位置精确对准。

所述硅基衍射透镜2在工作端面上刻蚀有环状沟槽波导结构，沟槽底面呈倾斜面，其中沟槽波导剖面结构既可以是多台阶浮雕型，还可以是连续浮雕型(参见图7)。所述硅基衍射透镜2外形参见图5，可以是圆柱体，通过硅基光基板(SiOB)5上的V形槽8上的三个斜面(参见图6)进行定位，通过硅基光基板(SiOB)5上的对准标识实现与边发射激光器芯片1的精密对准；所述硅基衍射透镜2还可以是立方体，或与硅基光基板(SiOB)5上的V形槽8相配合的其他形状。

所述硅基衍射透镜2采用金属焊料焊接的方式和硅基光基板(SiOB)5固定在一起。所述硅基衍射透镜2、隔离器组件3和硅基光基板(SiOB)5这些零件在光路经过的表面均镀介质增透膜以减少端面反射。

所述大功率激光器既可以是气密封装，又可以是非气密封装。

边发射激光器芯片1的出射光在垂直于半导体PN结和平行方向上的光束发散角不对称,还存在像散、衍射问题，模场呈现椭圆不对称分布。如果采用球透镜进行端面耦合，其变换后光束模场无法保证和波导模场转换器的输入模场匹配，耦合效率低。而且球透镜光路设计比较麻烦，需要不断变化物距和接收面到透镜的距离，反复搜寻能够使耦合效率达到最大值所对应的位置。

硅基衍射透镜2是根据边发射激光芯片1的近场分布和波导模场转换器(模斑变换器6或光栅耦合器7)的输入模场分布，在固定的物距和像距下通过数值算法来推导出硅基衍射透镜2上的相位函数分布，从而确定硅基衍射透镜2的表面浮雕形状。入射光束经过硅基衍射透镜2整形后，能补偿光束发散角不对称以及像散，在波导模场转换器的输入端实现模场完全匹配，从而获得很高的耦合效率。由于物距和接收面到透镜的距离是固定的，光路设计非常简单。

本发明装置的制作过程如下：

首先确定边发射激光器芯片1、波导模场转换器和硅基衍射透镜2之间的距离(分别对应着物距和像距)，边发射激光器芯片1发射光束的场分布，波导模场转换器的输入模场分布；然后根据边发射激光器芯片1的场发散角和物距，可以计算出硅基衍射透镜2的圆柱半径；接下来根据边发射激光器芯片1发射光束的场分布，来计算硅基衍射透镜2的物方工作面上的相位分布Φ1(r，θ)，同时根据波导模场转换器的输入模场分布，来计算硅基衍射透镜2像方工作面上的相位分布Φ2(r，θ)，r是硅基衍射透镜2工作面上的极坐标距离，θ是硅基衍射透镜2工作面上的极坐标方位角；得到硅基衍射透镜2的相位分布Φf(r，θ)＝Φ2(r，θ)-Φ1(r，θ)-2m∏,0<Φf<2∏；把硅基衍射透镜2的相位分布Φf(r，θ)转换成沟槽倾斜面中各组成波导深度H(r，θ)分布，H(r，θ)＝λΦf(r，θ)/2∏，其中λ为入射光波长，得到了连续浮雕型环状沟槽波导结构；对H(r，θ)的每个沟槽形状进行离散台阶化，得到H(m,n)，m是指第m个沟槽带，n是指第沟槽带内第n个台阶，得到了多台阶浮雕型环状沟槽波导结构。

采用掩模光刻工艺制作硅基衍射透镜2；根据零件尺寸和封装要求，设计硅基光基板(SiOB)5，采用掩模光刻工艺制作硅基光基板(SiOB)5；接下来在硅基光基板(SiOB)通过无源对准方式摆放边发射激光器芯片1、硅基衍射透镜2、隔离器组件3、反射镜4等光学零件，采用键合工艺对上述光学零件进行固定，硅基光基板5顶部加保护盖进行保护；最后把组装的大功率激光器加电和波导模场转换器进行有源耦合对准测试，验证输出功率和耦合损耗。

大功率激光器的出射光束在波导模场转换器的输入端实现模场完全匹配，整个系统的耦合效率取决于硅基衍射透镜2的衍射效率，对于台阶浮雕型衍射透镜的+1级衍射效率和台阶数量L有关，具体公式如下：当L＝4时，衍射效率为81％，L＝8时，衍射效率达到95％，L＝16时，衍射效率达到99％。如图8所示，L＝8时衍射效率已经趋向饱和，再增加台阶数会影响台阶套刻制作精度，实际衍射效率反而会下降，所以一般做成8台阶衍射透镜。

本发明装置中硅基衍射透镜2可以批量加工成具有精密外形尺寸的圆柱体，放置在硅基光基板5上的高精密V形槽8上，由V形槽8的三个斜面进行XYZ三个方向的定位和边发射激光器芯片1对准，定位精度由硅基衍射透镜2的圆柱直径和V形槽8的宽度决定。

如图9A、图9B所示，美国专利U.S.Pat.No.8772704中的V形槽采用4个斜面对球透镜进行定位，存在着透镜出射面的光被V形槽斜面阻挡的问题，从而影响输出功率。如图9A所示，本发明对V形槽8开口采用3个斜面并不影响硅基衍射透镜2的精确定位，使得边发射激光芯片1发射的偏向下方(即偏向硅基光基板5方向)的光束能够通过硅基光基板5透射进入隔离器组件3，而不会在硅基衍射透镜2后端与偏向硅基光基板5的接触界面上以及偏向硅基光基板5与隔离器组件3的接触界面上被反射，避免了出射面挡光问题，同时V形槽开口后还方便了透镜的点胶固化操作，防止胶水过多爬上透镜端面上影响耦合效率。

硅基衍射透镜2和硅基光基板5可以采用成熟的半导体掩模、暴光、显影和刻蚀工艺大批量制作，从而使本发明具有成本低、产能大的优势。

虽然本发明已经详细地示出并描述了相关的特定的实施例参考，但本领域的技术人员能够理解，在不背离本发明的思路和范围内可以在形式上和细节上作出各种改变，这些改变都将落入本发明的权利要求所要求的保护范围内。