一种半导体激光器芯片与LNOI光芯片的异构集成结构的制作方法

本发明属于集成微波光子领域，具体涉及一种半导体激光器芯片与lnoi光芯片的异构集成结构。

背景技术：

薄膜铌酸锂(lnoi，lithiumniobateoninsulator)材料是一种新兴集成光电子芯片材料。与传统linbo3体材料相比，具有更强的光约束能力、更高的集成度及更高的电光调控效率，在集成微波光子领域具有广泛的应用前景。

半导体激光器做为光源，与lnoi光子芯片的芯片集成是该技术领域发展的必然趋势和需求。然而，针对这样需求，目前还没有相关技术报道。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高效的半导体激光器芯片与lnoi光芯片的异构集成结构，实现半导体激光器芯片与lnoi光子芯片的异构集成。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种半导体激光器芯片与lnoi光芯片的异构集成结构，包括镶嵌槽、激光器芯片、sin锥形结构、lnoi锥形结构、过渡凹槽和lnoi集成光路；

镶嵌槽位于双层的sin锥形结构和lnoi锥形结构中，激光器芯片键合在镶嵌槽中，并与双层锥形结构对准，且在对准端面设置折射率匹配胶、增透膜；双层的sin锥形结构和lnoi锥形结构外侧为挖空结构；

lnoi集成光路嵌于sio2包层中，所述sio2包层包括sio2上包层和sio2下包层，sio2下包层位于衬底上方，lnoi集成光路位于sio2下包层上方，lnoi集成光路和lnoi锥形结构位于同一平面，lnoi锥形结构顶端与lnoi集成光路连接，sin锥形结构位于lnoi锥形结构上面，sin锥形结构、lnoi锥形结构和lnoi集成光路上面统一覆盖一层sio2上包层，过渡凹槽底面与衬底上表面共面。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：(1)本发明提供了一种半导体激光器芯片与lnoi光子芯片异构集成的结构，将半导体激光器芯片镶嵌在双层的sin锥形结构、lnoi锥形结构中，激光器芯片发光端面嵌入双层的sin锥形结构和lnoi锥形结构的锥形区并对准，实现激光器芯片发光模场尺寸的横向压缩和纵向约束，降低激光器芯片与lnoi光子芯片的耦合损耗，在对准端面加入折射率匹配胶、增透膜进一步降低耦合损耗；(2)本发明将双层的sin锥形结构和lnoi锥形结构两侧挖空，实现双层的sin锥形结构、lnoi锥形结构和空气包层的大折射率差，提高光约束作用，降低锥形结构侧面辐射和散射，且强的光约束作用可使lnoi锥形结构顶端输出光模场尺寸小于lnoi集成光路中的光模场尺寸，有效降低lnoi锥形结构与lnoi集成光路的光耦合损耗。

附图说明

图1为本发明一种半导体激光器芯片与lnoi光子芯片异构集成结构的俯视图。

图2为本发明一种半导体激光器芯片与lnoi光子芯片异构集成结构的剖面图。

图3为lnoi脊型波导结构示意图。

图4为lnoi矩形波导结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种半导体激光器芯片与lnoi光芯片的异构集成结构，包括镶嵌槽1、激光器芯片2、sin锥形结构5、lnoi锥形结构6、过渡凹槽7和lnoi集成光路8；

如图2所示，镶嵌槽1位于双层的sin锥形结构5和lnoi锥形结构6中，激光器芯片2通过贴片材料10键合在镶嵌槽1中，并与双层锥形结构对准，同时实现激光器芯片2中光模场向lnoi集成光路8中的尺寸转变和低损耗耦合，且在对准端面加入折射率匹配胶3、增透膜4以进一步降低耦合损耗，满足半导体激光器芯片与lnoi光芯片的低插损集成需求。其中折射率匹配胶3靠近激光器芯片2，增透膜4位于折射率匹配胶3和sin锥形结构5、lnoi锥形结构6之间。

双层的sin锥形结构5和lnoi锥形结构6外侧为挖空结构，保证双层的sin锥形结构5、lnoi锥形结构6与空气包层的大折射率差，提高光约束作用，降低锥形结构侧面辐射和散射，且强的光约束作用可使lnoi锥形结构6顶端输出光模场尺寸小于lnoi集成光路8中的光模场尺寸，可有效降低lnoi锥形结构6与lnoi集成光路8的光耦合损耗；

lnoi集成光路8镶嵌于sio2包层9中，sio2包层9包括，sio2上包层9-1和，sio2下包层9-2，sio2下包层9-2位于衬底11上方，lnoi集成光路8位于sio2下包层9-2上方，lnoi集成光路8和lnoi锥形结构6位于同一平面，lnoi锥形结构6顶端与lnoi集成光路8连接，sin锥形结构5位于lnoi锥形结构6上面，sin锥形结构5、lnoi锥形结构6和lnoi集成光路8上面统一覆盖一层sio2上包层9-1，过渡凹槽7底面与衬底11上表面共面，镶嵌槽1底面在于衬底11中间，激光器芯片2的发光层2-1和双层的sin锥形结构5、lnoi锥形结构6对准，激光器芯片2的衬底2-2通过贴片材料10键合在镶嵌槽1底面，衬底11键合在tec制冷器上面。

进一步的，所述lnoi锥形结构6为矩形光波导结构。

进一步的，所述lnoi集成光路8为脊型光波导结构或矩形光波导结构；当为脊型光波导结构时，sio2包层9中间嵌埋有一定厚度的lnoi平板层；当为矩形光波导结构时，sio2包层9中间没有lnoi平板层。

进一步的，所述激光器芯片2键合在镶嵌槽1中后，其与增透膜4靠近的发光端面位于双层的sin锥形结构5和lnoi锥形结构6的锥形区域，有助于提高耦合效率。

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。

实施例

一种半导体激光器芯片与lnoi光子芯片异构集成结构，如图1所示，包括镶嵌槽1、激光器芯片2、折射率匹配胶3、增透膜4、sin锥形结构5、lnoi锥形结构6、过渡凹槽7、lnoi集成光路8和sio2包层9。

图2为本发明异构集成结构的剖面示意图，lnoi集成光路8镶嵌于sio2包层9中，sio2下包层9-2位于衬底11上方，lnoi集成光路8位于sio2下包层9-2上方，lnoi集成光路8和lnoi锥形结构6位于同一平面，lnoi锥形结构6顶端与lnoi集成光路8连接，sin锥形结构5位于lnoi锥形结构6上面，sin锥形结构5、lnoi锥形结构6和lnoi集成光路8上面统一覆盖一层sio2上包层9-1，过渡凹槽7底面与衬底11上表面共面，镶嵌槽1底面在于衬底11中，激光器芯片2的发光层2-1和双层的sin锥形结构5、lnoi锥形结构6对准，激光器芯片2的衬底2-2通过贴片材料10键合在镶嵌槽1底面，衬底11键合在tec制冷器12上面。

镶嵌槽1位于双层的sin锥形结构5和lnoi锥形结构6中，激光器芯片2通过贴片材料10键合在镶嵌槽中，并与双层锥形结构对准，同时实现激光器芯片1中光模场向lnoi光路8中的尺寸转变和低损耗耦合，且在对准端面加入折射率匹配胶3、增透膜4以进一步降低耦合损耗，满足半导体激光器芯片与lnoi光芯片的低插损集成需求。

双层的sin锥形结构5和lnoi锥形结构6外侧为挖空结构，提高双层的sin锥形结构5和lnoi锥形结构6与空气包层的大折射率差，提高光约束作用，降低锥形结构侧面辐射和散射，且强的光约束作用可使lnoi锥形结构6顶端输出光模场尺寸小于lnoi集成光路8中的光模场尺寸，可有效降低lnoi锥形结构6与lnoi集成光路8的光耦合损耗。

lnoi锥形结构6为矩形光波导结构。lnoi集成光路8为脊型光波导结构或矩形光波导结构。图3为lnoi脊型波导结构示意图，其中8-1为脊型lnoi光波导芯层，图4为lnoi矩形波导结构示意图，8-2为矩形lnoi光波导芯层。

当为脊型光波导结构时，sio2包层9中间嵌埋有一定厚度的lnoi平板层；当为矩形光波导结构时，sio2包层8中间没有lnoi平板层。所述激光器芯片2键合在镶嵌槽1中后，其与增透膜4靠近的发光端面位于双层的sin锥形结构5和lnoi锥形结构6的锥形区域，有助于提高耦合效率。