CN112649925A - 一种直接耦合光器件及其封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明通过设计多波导结构的边缘耦合器，在边缘耦合器内部设计光模斑转换结构，使激光器出射光依次通过边缘耦合器的条形波导阵列、异形波导、倒锥形波导以及出光波导，并采用先进的封装工艺，将激光器、边缘耦合器、硅光芯片封装于管壳内，省略掉了模斑转换透镜，降低了封装工艺难度，减小了封装器件尺寸。

Description

一种直接耦合光器件及其封装方法

技术领域

本发明涉及半导体器件领域，具体的是一种直接耦合光器件及其封装方法。

背景技术

随着信息技术的高速发展，高度集成化小型化逐步成为各类半导体器件发展的主流方向。光通信领域，由于光束耦合的特殊需求，光器件封装工艺复杂、组件繁多，封装尺寸较大，减小其封装尺寸对光模块解决方案的优化具有重要意义。

目前业内光电芯片与激光器、光纤之间的耦合大多采用多透镜方案，例如激光器出光端，采用透镜将激光器的出射光（发射高斯光束）准直、聚焦到光波导，过程中会使用2组透镜阵列，增加了激光器耦合的工艺复杂度，同时增大了封装后半导体器件的尺寸。

发明内容

本发明提供一种直接耦合光器件，采用激光器与光波导直接耦合方案，省掉了激光器与光波导之间的2组透镜，这种耦合方式将有效减小光器件的封装尺寸。

图1所示为半导体激光器结构示意图，其有源层发出激光，为了防止激光同时向两个方向发射，通常在不需要光出口的端面镀高反膜，而在激光出射端口镀减反介质膜。实现受激发射光的方式一般有电流激励、光激励、化学激励、高能电子束激励等，由于电流激励方式简单，该方式为广泛采用的激励方案。

为了实现半导体激光器内部异质结能够受激发射光子，对异质结施加电压，使有源区内有不断的非平衡载流子注入，加上有源区与其两侧的波导层和包层所引起的光波导效应，使得低能态价带顶的空穴数量少于高能态导带底的电子数，实现电子跃迁，发射出光子。当然，要产生相干受激辐射光，单有受激发射过程是不够的，还需要有光学谐振腔的共同作用才行，只有实现稳定的激光振荡才能产生相干光。

由于激光器有源区厚度较小，其端面光出射口的形状类似于狭缝状，激光器快轴发散角通常大于慢轴发散角，即沿有源区厚度方向的发散角大于沿有源区宽度方向的发散角，因此其远场分布通常呈椭圆形。

如图2所示，在现有技术中微透镜耦合方案采用两组微透镜阵列分别对激光器出射光束准直、聚集，以实现高斯光束的变换。激光器输出光束变化从图3中可以看出，W₀为激光器输出光束的束腰半径，W₀ ^’是经过透镜f₁变换后的束腰半径，W₀ ^’’为经透镜f₂变换后的束腰半径。

本发明提出了一款直接耦合的光器件，激光器与波导直接耦合，将波导设计为可直接耦合的多波导边缘耦合器结构，其功能与现有技术中的透镜相当。直接耦合光器件将激光器、边缘耦合器、硅光芯片封装于一体，激光器的出光端口直接与边缘耦合器的光输入端口耦合，边缘耦合器的光输出端口与硅光芯片光输入端耦合。

由于激光器出射光模场尺寸与波导尺寸的模场失配，直接耦合将产生耦合效率降低的问题，本发明为了解决该关键问题，对波导结构进行了重新设计，采用多波导结构端与激光器出射端口直接耦合。

在波导结构的设计方面，主要考虑多波导结构的光输入端与激光器光出射端面的模斑匹配，调整波导阵列中的各个波导间的距离、各个波导的宽度以及波导的数量，以使多波导光输入端的模斑尺寸与激光器出射光模斑尺寸匹配。例如在一个实施例中，波导的数量为6个，每个波导的宽度为150nm，每个波导的间距为400nm。

边缘耦合器的出光端口与硅光芯片耦合，此时要保证边缘耦合器输出光束模斑尺寸与硅光芯片光输入端模斑尺寸匹配。硅光芯片的模斑尺寸为纳米级，激光器出光模斑一般在微米级，在边缘耦合的波导层需要将微米级的模斑转换为纳米级的模斑，因此在多波导结构出光端应增加一模斑转换段，以实现模斑的逐渐减小。例如在一个实施例中，在多波导段出光端增加倒锥形波导结构，倒锥形结构可以实现大模斑尺寸到小模斑尺寸的转换。

为了使边缘耦合器的光输入端的模场变大，还可以在设计时，将边缘耦合器的光输入端光波导高度降低，在波导高度降低时，其对光的束缚能力相应降低，模场尺寸增大，与激光器输出光模斑尺寸匹配。由此设计的边缘耦合器的波导层，多波导阵列的高度小于倒锥形波导段的高度。在某一个实施例中，为了匹配商业应用，多波导阵列的高度150nm,倒锥形波段段的高度为220nm。

在一些设计中，为了进一步设计沿光传播方向的波导模场的变化，将多波导阵列中的各个波导宽度设计为沿光传播方向逐渐增加。

在波导材质选择方面，业界对各类材质波导的研究均有涉及，例如，麻省理工学院EECS组制造出了SiON波导，但是，硅（Si）由于其具有高折射率（n=3.48），光子集成工业的首选应当是硅波导，相应地，在本发明的某些实施例中，边缘耦合器的波导层采用硅材料，其四周的包覆层则选用二氧化硅包层。

在一些实施例中，考虑到目前广泛商业应用的绝缘体上硅（SOI）晶圆，其硅波导沿垂直方向上的高度为200nm、220nm、250nm，实现SOI单模波导，需要的硅波导宽度值为500nm、450nm，可以根据激光器类型及应用场景选择硅波导的高度及宽度。例如，在一个实施例中可以选择高度为220nm，宽度为500nm的硅波导层。

本发明还提供一种直接耦合光器件的封装方法，该方法包括如下步骤：

步骤一，提供一绝缘片，将边缘耦合器置于绝缘片上固定位置；

步骤二，激光器设置于边缘耦合器入光端口，硅光芯片设置于边缘耦合器出光端口；

步骤三，激光器光出口耦合至边缘耦合器，硅光芯片光输入端耦合至边缘耦合器；

步骤四，激光器、边缘耦合器、硅光芯片光路耦合后，固定各组件位置；

步骤五，将步骤四固定后的光组件设置于管壳内，激光器与外部电路电连通，硅光芯片与外部电路电连通。

在步骤三中，激光器光出口与边缘耦合器耦合时，应当考虑到边缘耦合器与激光器出光口的横向错位与纵向错位。

附图说明

图1为半导体激光器结构示意图

图2为现有技术中耦合方案示意图

图3为现有技术耦合方案的光束转化示意图

图4为一个实施例中直接耦合光器件示意图

图5为一个实施例中直接耦合光器件内部光波导耦合示意图

图6为一个实施例中光波导侧面示意图

图7为另一个实施例中光波导俯视示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步具体说明。

如图4所示，本实施例提供一种直接耦合的光器件100，边缘耦合器101、激光器102、硅光芯片103光路耦合封装于管壳104中。激光器光输出端口1021设置于激光器102的出光边缘。硅光芯片103出光端口设置光纤组件105，光纤组件105用于将直接耦合的光器件与外部光纤耦接。激光器102受激发射的光由激光器光输出端口1021发出，耦合到边缘耦合器101中，光束转换为与硅光芯片103模斑尺寸匹配的光束。硅光芯片可以是光调制器芯片。

图5所示为激光器、边缘耦合器沿水平面的剖面示意图，从图中可以直观地看到激光器与边缘耦合器内部光波导的耦合情况。长波导1011阵列将激光器102输出的光束耦合到边缘耦合器中，长波导1011结构设计为长条形，其阵列由6条长波导1011组成，为了能够匹配激光器输出光束的模斑尺寸，长波导1011光输入端耦合段的高度、宽度均匹配设计。同时设计了一段楔形波导1012，将长波导1011耦入的光束模斑转换。为了在较短的波导上实现较大的模斑转换，在楔形波导1012光输出端设计了一段倒锥形波导1013，光束经倒锥形波导1013输出后实现光束模斑的较大转换，最终经出光波导1014输出到硅光芯片。

如图6中所示，在某些时刻，激光器输出光束模斑尺寸较大时，为了进一步增加边缘耦合器101与激光器102的模斑匹配程度，将边缘耦合器的光耦入端长波导1011设计为高度低于楔形波导1012、倒锥形波导1013。图6还示意了边缘耦合器101的各层结构，基板1016为硅层，其上设置二氧化硅层1015，长条波导1011、楔形波导1012、倒锥形波导1013、出光波导1014所在的光波导层设置于二氧化硅层1015之上。波导层外包覆的二氧化硅层虽然在图6中未示出，但是为了实现光波导的基本功能，应当理解波导层外包覆二氧化硅层是存在的。

如图7所示，在另外一些实施例中，直接耦合的光器件中的边缘耦合器的波导层还可以采用波导结构700。长波导701设计为尺寸渐变结构，其与激光器耦合端面的尺寸小于其光输出端面。例如，在一个实施例中，长波导701设计为锥形，其构成的阵列模斑尺寸大于其耦接的楔形波导702。

光束经楔形波导702、倒锥形波导703、出光波导704逐步实现模斑的减小，从而将激光器输出的大模斑尺寸光束转化为能够与硅光芯片的小模斑尺寸匹配的光束。

上述实施例仅列举了较佳的具体技术方案及技术手段，不排除在本发明权利要求范围内，有其他可以解决该技术问题的等换技术手段的替换形式，也应当理解为本发明要求保护的内容。

Claims (5)

1.一种直接耦合光器件，其特征在于：包括激光器、边缘耦合器、硅光芯片，所述激光器光出口与所述边缘耦合器直接耦合，所述硅光芯片与所述边缘耦合器光输出端口耦合；所述边缘耦合器为多波导结构，包括条形波导阵列、异形波导、倒锥形波导、出光波导，所述条形波导阵列光输出端耦合于所述异形波导光输入端口，所述异形波导光输出端口耦合到倒锥形波导光输入端；所述倒锥形波导光输出端为锥面，其耦合到所述出光波导；在第一方向上所述条形波导阵列的高度低于所述异形波导的高度。

2.根据权利要求1所述的直接耦合光器件，其特征在于：所述条形波导阵列包括6根条形波导，所述条形波导阵列光输入端面的模场直径与所述激光器出射光模场直径匹配。

3.根据权利要求1所述的直接耦合光器件，其特征在于：所述边缘耦合器还包括硅基板、第一包层、第二包层，所述第一包层与所述第二包层为二氧化硅层，所述条形波导阵列、异形波导、倒锥形波导、出光波导为硅，并设置于第一包层与第二包层之间。

4.根据权利要求1所述的直接耦合光器件，其特征在于：所述条形波导阵列中的每一个条形波导沿第二方向的宽度随着光传输方向增加。

5.一种权利要求1中直接耦合光器件的封装方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，提供一绝缘片，将边缘耦合器置于绝缘片上固定位置；

步骤二，激光器设置于边缘耦合器入光端口，硅光芯片设置于边缘耦合器出光端口；

步骤三，激光器光出口耦合至边缘耦合器，硅光芯片光输入端耦合至边缘耦合器；

步骤四，激光器、边缘耦合器、硅光芯片光路耦合后，固定各组件位置；

步骤五，将步骤四固定后的光组件设置于管壳内，激光器与外部电路电连通，硅光芯片与外部电路电连通。

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