一种激光器与硅光芯片耦合结构的制作方法

本发明属于光通信，具体涉及一种激光器与硅光芯片耦合结构。

背景技术：

1、近年来，随着全球通信技术的飞速发展，全新的云计算逻辑速率、高信息大数据传输技术对光纤通信系统提出了更大的要求，其中对互联带宽的需求也愈发强烈，收发光模块的传输速率亦随之增长。由于受限于光模块的体积以及内部传输损耗，传统的eml方案光模块已无法满足市场高速率信息传递以及数据中心建立的目标。为此微纳米量级光子集成电路技术(pic，photonic integrated circuit)竞相得到关注并逐渐应用于实际生活场景，而硅基光电子技术以其高精度优化集成和精确、高效的相位调制特性，在实现相干调制解调功能上具有突出优势，可应用于通信城域骨干网远距离通信，其中如何利用光波导收集外界自由空间光束信息(即基于模场适配的高效率光耦合技术)成为核心探索方向之一。

2、目前硅光芯片的主流实际应用需完成光电信号转换和传输，以及温度控制等功能；这需要采用先进的封装技术来保证信号质量和稳定性，并降低封装耦合过程中的损耗，根据光芯片内部集成器件的设计概念，为实现多通道信息传输、降低硅衬底集成难度及提高光耦合效率，硅光芯片一般会通过mmi达到一分四、一分八等类似的分光形式，通过设计不同材料、类型的端面耦合器、模斑转换器、波导结构来减少光学部分和调制器损耗，这也直接决定着dfb激光器的功率选用和发散角设计，为进一步减少模场失配带来的损耗，激光器与光芯片之间的光学系统设计尤为重要，这也是近年来光学封装领域里十分受到关注的内容。

3、业界成熟光学封装技术中，在芯片上采用边入射波导结构方案的新型器件设计，通过透镜系统缩小高斯光束传播过程中的远场发散角(far-field divergence angle)，借助会聚透镜使光线能量集中化的同时，其光斑束腰w0尺寸满足芯片耦合器的模场半径。但由于各种激光器发射的激光束并不是绝对平行的，从设计、制程上存在快慢轴发散角θ差异明显的现象，并且随着电流的增加，发散角θ亦会有相应的小幅度变化，束腰w0也随之变化，具有光斑形状不规则、发散角度大的问题，因此还需要一套光学系统，对激光器的输出光束进行准直整形，通过改变光束的发散度、波束宽度和截面积，改善输出光束质量，所以常规非球面透镜系统已无法满足高斯光束准直校正的需求。

4、在通信技术更为成熟的红外波段范围，其中有两个非常重要的波长窗口：1310nm和1550nm，光纤通信中1550nm较小的传输损耗常用于长距离通信工程，不过更常用的是1310nm波长，半导体激光器在有源区结构上可以分为体材料、量子阱材料、量子点材料等，在器件结构上可以分为f-p型、dfb型、dbr型等多种形式，而量子阱激光器(qw-ld)由于量子阱宽度的限制，导致载流子波函数在一维方向上的局域化，有源层的厚度仅在电子平均自由程内，载流子因阱壁具有很强的限制作用只在与阱壁平行的平面内具有二维自由度，近年来随着全球信息技术市场对信息传输容量、传输安全性等要求不断提高，工业领域对激光器的光电转化效率、能耗等要求也在不断提升，qw-ld受限于激射特性，无法达到更低的阈值电流、更高的发光效率等特性。

技术实现思路

1、本发明涉及一种激光器与硅光芯片耦合结构，至少可解决现有技术的部分缺陷。

2、本发明涉及一种激光器与硅光芯片耦合结构，包括硅光芯片、dfb-ld、fac透镜、sac透镜和会聚透镜，

3、所述fac透镜布置在所述dfb-ld的出光侧，用于接收由dfb-ld发射的激光束，并减小激光束在快轴方向上的发散度；

4、所述sac透镜布置在所述fac透镜的出光侧，用于接收由fac透镜出射的激光束，并减小激光束在慢轴方向上的发散度；

5、所述会聚透镜布置在所述sac透镜的出光侧，用于接收由sac透镜出射的激光束，并将激光束会聚至所述硅光芯片的inout耦合器的波导。

6、作为实施方式之一，所述fac透镜与所述sac透镜集成为一体式透镜。

7、作为实施方式之一，所述fac透镜的出光面以及所述sac透镜的入光面均为平面并且二者相互连接。

8、作为实施方式之一，所述一体式透镜的na值为0.5～0.62。

9、作为实施方式之一，所述一体式透镜的厚度在1.9～2.1mm范围内。

10、作为实施方式之一，所述会聚透镜的na值在0.25～0.35范围内。

11、作为实施方式之一，所述会聚透镜的厚度在0.68～0.75mm范围内。

12、作为实施方式之一，所述会聚透镜为非球透镜。

13、作为实施方式之一，所述激光器与硅光芯片耦合结构还包括基板，所述硅光芯片、所述dfb-ld、所述fac透镜、所述sac透镜和所述会聚透镜均布置于所述基板上。

14、作为实施方式之一，所述基板为铜钨基板。

15、本发明至少具有如下有益效果：

16、本发明中，采用dfb-ld，该激光器能够将电子的运动限制在纳米尺寸的三维结构中，从三个方向限制电子运动的零维结构量子势阱；相比量子阱、量子线等激光器，该激光器拥有更好的激射特性，会达到更低的阈值电流、更高的发光效率。采用fac透镜和sac透镜分别对dfb-ld发射的激光束进行快轴准直和慢轴准直，改变激光束的波束宽度、截面积，提高激光束的能量集中度，避免光斑周围少量剩余能量的损耗，使激光光斑趋近于圆形，较好地完成椭圆光斑整形工作，得到比较好的圆形高斯光斑，可以显著地提高激光器与硅光芯片的耦合效果。

技术特征：

1.一种激光器与硅光芯片耦合结构，其特征在于：包括硅光芯片、dfb-ld、fac透镜、sac透镜和会聚透镜，

2.如权利要求1所述的激光器与硅光芯片耦合结构，其特征在于：所述fac透镜与所述sac透镜集成为一体式透镜。

3.如权利要求2所述的激光器与硅光芯片耦合结构，其特征在于：所述fac透镜的出光面以及所述sac透镜的入光面均为平面并且二者相互连接。

4.如权利要求2所述的激光器与硅光芯片耦合结构，其特征在于：所述一体式透镜的na值为0.5～0.62。

5.如权利要求2所述的激光器与硅光芯片耦合结构，其特征在于：所述一体式透镜的厚度在1.9～2.1mm范围内。

6.如权利要求1所述的激光器与硅光芯片耦合结构，其特征在于：所述会聚透镜的na值在0.25～0.35范围内。

7.如权利要求1所述的激光器与硅光芯片耦合结构，其特征在于：所述会聚透镜的厚度在0.68～0.75mm范围内。

8.如权利要求1所述的激光器与硅光芯片耦合结构，其特征在于：所述会聚透镜为非球透镜。

9.如权利要求1所述的激光器与硅光芯片耦合结构，其特征在于：还包括基板，所述硅光芯片、所述dfb-ld、所述fac透镜、所述sac透镜和所述会聚透镜均布置于所述基板上。

10.如权利要求9所述的激光器与硅光芯片耦合结构，其特征在于：所述基板为铜钨基板。

技术总结
本发明涉及一种激光器与硅光芯片耦合结构，包括硅光芯片、DFB‑LD、FAC透镜、SAC透镜和会聚透镜；FAC透镜用于接收由DFB‑LD发射的激光束，并减小激光束在快轴方向上的发散度；SAC透镜用于接收由FAC透镜出射的激光束，并减小激光束在慢轴方向上的发散度；会聚透镜用于接收由SAC透镜出射的激光束，并将激光束会聚至硅光芯片的波导。本发明采用DFB‑LD，其将电子的运动限制在纳米尺寸的三维结构中，从三个方向限制电子运动的零维结构量子势阱，拥有较好的激射特性，会达到更低的阈值电流、更高的发光效率；采用FAC透镜和SAC透镜对DFB‑LD发射的激光束进行快慢轴准直，较好地完成椭圆光斑整形工作，得到比较好的圆形高斯光斑，可以显著地提高激光器与硅光芯片的耦合效果。

技术研发人员：张昊,杨凌冈,俞海江,杨鹏,杨进议,张晶
受保护的技术使用者：武汉华工正源光子技术有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/31