一种激光器和硅光芯片的耦合结构和封装结构的制作方法

本发明涉及发光通信技术领域，更准确的说涉及一种激光器和硅光芯片的耦合结构和封装结构。

背景技术：

随着光通信技术的不断发展，光电器件朝着更小体积，集成度更高，成本更低的方向发展。集成电路芯片一般在硅片上采用互补金属氧化物半导体集成工艺制作，已经具有很成熟的制作工艺，现在一些厂商将波导制作在硅基衬底侧面，用于传输光路，这样把集成电路芯片功能与光芯片功能集成在同一块硅基芯片上即为硅光芯片。硅光芯片既能实现电信号处理功能例如信号放大器，数字信号处理器等，又能传输光路，实现光信号的滤波、分束、调制等功能，硅光芯片的高度光电集成化减小了光电器件的体积，能够降低功耗和生产成本等，更能胜任数据中心对光通信模块的高端口密度和低成本的迫切需求，具有很好的发展前景。不过，硅光芯片在实际应用中仍存在一些技术难题，其中之一为硅光光源。由于硅是一种间接带隙半导体材料，其发光效率远低于三五族半导体光电子材料，不适合制作光源。

为了实现硅光光源，业界采用的方案有三种：第一种，intel公司选择在硅光芯片上外延生长三五族半导体光电子材料，然后再在三五族半导体光电子材料进行激光器加工工艺，制作光源；第二种，luxtera公司选择将三五族dfb芯片、透镜、隔离器制作成一个光源组件，再将这个组件用胶水键合在硅光芯片上；第三种，华为hisilicon公司选择将激光器芯片波导倒装在硅波导上面，进行倏逝波耦合，将激光器芯片的光耦合到硅光芯片里面去。上述三种方案中，方案一的工艺复杂，芯片可靠性不高，硅材料和三五族半导体光电子材料本身存在晶格失配，在硅材料上外延生长三五族半导体光电子材料，生长过程种会出现很多晶格缺陷，产生比较大的应力，影响芯片的可靠性；方案二中光源组件的加工工艺，密封工序比较复杂，工艺成本比较高；方案三中将激光器芯片波导倒装在硅波导上面，进行倏逝波耦合，需要超高精度的耦合对准设备，对于设备和工艺的要求都很高。综上，现有技术实现硅光光源的方案均有一定的缺陷，存在较大的改进空间。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种激光器和硅光芯片的耦合结构，包括依次设置的激光器、准直透镜、隔离器、耦合透镜、光纤以及硅光芯片，所述准直透镜和所述耦合透镜共光轴，所述光纤和所述硅光芯片连接，所述激光器出射光经所述准直透镜准直后入射所述隔离器，之后入射所述耦合透镜汇聚至所述光纤，通过所述光纤耦合入所述硅光芯片。

本发明的另一个目的在于提供一种激光器和硅光芯片的封装结构，包括依次连接的光发射组件、光纤以及硅光芯片，所述光发射组件包括激光器、准直透镜、隔离器及耦合透镜，所述光发射组件采用tosa(光发射次模块)工艺封装，其中所述激光器采用to(晶体管外形)工艺封装。

为了达到上述目的，本发明提供一种激光器和硅光芯片的耦合结构，包括依次设置的一激光器、一隔离器、一耦合透镜、一光纤以及一硅光芯片，所述光纤与所述硅光芯片连接，所述激光器出射光束，所述光束入射所述隔离器，从所述隔离器出射后入射所述耦合透镜，经所述耦合透镜汇聚至所述光纤后入射所述硅光芯片。

优选地，所述激光器和硅光芯片的耦合结构包括一准直透镜，所述准直透镜设置在所述激光器和所述隔离器之间，所述准直透镜与所述耦合透镜共光轴，所述激光器出射光束，所述光束入射所述准直透镜，经所述准直透镜准直后入射所述隔离器，从所述隔离器出射后入射所述耦合透镜，经所述耦合透镜汇聚至所述光纤后入射所述硅光芯片。

优选地，所述光纤为保偏光纤。

本发明还提供一种激光器和硅光芯片的封装结构，包括依次连接的至少一光发射组件、至少一光纤以及一硅光芯片，所述光发射组件通过所述光纤与所述硅光芯片连接，所述光发射组件包括一激光器、一准直透镜、一隔离器以及一耦合透镜，所述光发射组件采用tosa工艺封装，所述激光器采用to工艺封装。

优选地，所述激光器采用to56、to38、to33中一种形式进行封装。

优选地，所述光发射组件和所述激光器采用金属件进行封装。

优选地，所述光发射组件通过所述光纤与所述硅光芯片可插拔的连接。

优选地，所述光纤一端与所述硅光芯片连接，另一端具有一插接头，所述光纤通过所述插接头与所述光发射组件连接。

与现有技术相比，本发明公开的一种激光器和硅光芯片的耦合结构和封装结构的优点在于：所述激光器和硅光芯片的耦合结构无需使用超高精度的耦合对准设备即可实现，耦合效率更高，成本较低；通过光纤进行耦合，便于激光器和硅光芯片的灵活布局，散热性能更好，适用性更强，同时便于插拔维护；所述激光器与硅光芯片的封装结构，采用to工艺封装光源，气密性封装，具有很强的可生产性，很高的可靠性，更低的成本；所述激光器与硅光芯片的封装结构采用金属件进行封装，散热性能更好。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

如图1所示为本发明一种激光器和硅光芯片的耦合结构的结构示意图。

如图2所示为本发明一种激光器和硅光芯片的封装结构应用于dr4光模块中的结构框图。

如图3所示为本发明一种激光器和硅光芯片的封装结构应用于dr4光模块中的结构示意图。

如图4所示为本发明一种激光器和硅光芯片的封装结构应用于fr4光模块中的结构框图。

如图5所示为本发明一种激光器和硅光芯片的封装结构应用于fr4光模块中的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种激光器和硅光芯片的耦合结构包括依次设置的一激光器1、一准直透镜21、一隔离器22、一耦合透镜23、一光纤30以及一硅光芯片40，所述准直透镜21和所述耦合透镜23共光轴，所述光纤30和所述硅光芯片40连接，所述激光器1出射光束，光束与所述准直透镜21共光轴，光束入射所述准直透镜21，经所述准直透镜21准直后的光束入射所述隔离器22，从所述隔离器22出射后入射所述耦合透镜23，经所述耦合透镜23汇聚至所述光纤30。所述准直透镜21和所述耦合透镜23组成双透镜结构，采用这种双透镜光学设计后，可以有效的提高激光器的耦合效率。所述硅光芯片40具有收光波导，如果所述收光波导做过扩束处理，所述光纤30可以与所述硅光芯片40直接耦合；如果所述硅光芯片40的收光波导的模场直径较小，则需要在所述硅光芯片40上增加耦合透镜来做光斑变换，进一步汇聚光束。优选地，所述光纤30可以选用保偏光纤，提高耦合性能。

由于所述激光器1通过所述光纤30与所述硅光芯片40进行耦合，无需使用高精度的耦合对准设备，耦合效率更高，成本较低。并且由于光纤可以弯曲，可以更加灵活地设置所述激光器1与所述硅光芯片40的相对位置，适用性更强。同时，所述述激光器1和所述硅光芯片40分离设置，有利于散热。

本发明还公开了一种激光器和硅光芯片的封装结构，包括依次连接的一光发射组件20、所述光纤30以及所述硅光芯片40，所述光发射组件20包括所述激光器1、所述准直透镜21、所述隔离器22以及所述耦合透镜23，所述光发射组件20采用tosa(光发射次模块)工艺封装。其中，所述激光器1采用to(晶体管外形)工艺封装。采用to工艺封装所述激光器1，气密性封装，可生产性强，可靠性高，成本低，便于硅光子技术的普及应用。所述光发射组件20和所述激光器1封装采用金属件，提高散热性能。所述激光器1可采用to56、to38、to33中一种形式进行封装。采用to工艺封装的激光器能够提供大功率的连续波光源，便于补偿硅光芯片较高的光路损耗。

所述光发射组件20中还可设置背光探测芯片(mpd)，所述背光探测芯片与所述激光器1电连接，用于监控所述激光器1的发光功率，以便稳定所述激光器1的发光性能。

由于所述光纤30可弯曲，且所述光纤30的长度可自行设置，所述光发射组件20和所述硅光芯片40之间的距离及相对位置可根据需要进行调节，提高了封装结构在光模块中的适用性。所述激光器和硅光芯片的封装结构对不同体积限制、散热要求、排布要求的适应性更强。同时，由于所述光发射组件20和所述硅光芯片40分离设置，有利于提高所述光发射组件20和所述硅光芯片40的散热性能。

所述光发射组件20通过所述光纤30与所述硅光芯片40可插拔的连接，具参见图3和图5，所述光纤30一端与所述硅光芯片40连接，另一端具有一插接头301，所述光纤30通过所述插接头301与所述光发射组件20可插拔的连接。设置所述光发射组件20通过所述光纤30与所述硅光芯片40可插拔的连接，方便了所述光发射组件20和所述硅光芯片40的组合安装，操作简便，效率更高，同时方便了故障检修，便于维护。

如图2和图3所示，为所述激光器和硅光芯片的封装结构应用于dr4光模块中的示意图，两个所述光发射组件20耦合接入所述硅光芯片40，且两个所述光发射组件20发出相同波长的光。所述硅光芯片40中集成设置两个一分二的光分路器以及四个调制器(mod-1、mod-2、mod-3、mod-4)，每个所述光分路器连接两个所述调制器，分别为一个所述光分路器连接mod-1和mod-2，另一个所述光分路器连接mod-3和mod-4。两个所述光发射组件20分别接入两个所述光分路器。四个所述调制器通过光纤接入一mpo连接器50。其中，两个所述光发射组件20分别通过两个插接头301与两根所述光纤30连接，两个所述光发射组件20通过所述插接头301与所述硅光芯片40可插拔的连接。

如图4和图5所示，为所述激光器和硅光芯片的封装结构应用于fr4光模块中的示意图，四个所述光发射组件20耦合介入所述硅光芯片40，且四个所述光发射组件20输出的光波长均不相同。所述硅光芯片40中集成设置四个调制器(mod-1、mod-2、mod-3、mod-4)以及一个光多路复用器(mux)，四个所述调制器均接入所述光多路复用器。四个所述光发射组件20分别接入四个所述调制器。所述光多路复用器通过光纤接入一lc连接器60。四个所述光发射组件20分别连接四根所述光纤30，四根所述光纤30与四个插接头301连接，且四根所述光发射组件20通过所述插接头301与所述硅光芯片40可插拔的连接。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。