一种激光器与硅基光波导微透镜耦合结构及其制造方法与流程

本发明涉及硅基光子集成技术，更具体的涉及一种硅基激光器微透镜耦合结构及其制造方法。

背景技术：

1、光收发芯片集成是半导体光电器件发展趋势，半导体激光器芯片与硅光芯片之间的耦合封装一直是片上集成工艺的重难点之一。传统方案一般采用紧贴式的端面耦合，但该方案一方面会由于激光器出射模场与波导模场的不匹配而产生较大损耗，另一方面也对装配精度要求很高。也有部分方案采用半导体激光器芯片与光纤进行耦合，利用光纤组件进行光信号的处理，但该方案会大大增加光模块的尺寸。

技术实现思路

1、为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了一种激光器与硅基光波导微透镜耦合结构。

2、为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

3、一种激光器与硅基光波导微透镜耦合结构，其特征在于，该结构包含激光器模块、微透镜模块、硅基光波导模块和陶瓷管壳，所述激光器模块、微透镜模块和硅基光波导模块水平方向上依次排列并封装在陶瓷管壳中。

4、优选地，所述激光器模块包含激光器芯片、热敏电阻、陶瓷电极转接板、石英垫片和半导体制冷器；激光器芯片和热敏电阻贴于陶瓷电极转接板上且热敏电阻贴于激光器芯片旁，陶瓷电极转接板贴于石英垫片上，石英垫片贴于半导体制冷器上。

5、优选地，所述微透镜模块包含准直微透镜和聚焦微透镜，准直微透镜贴于激光器模块侧；聚焦微透镜贴于硅基光波导模块侧；聚焦微透镜和准直微透镜贴于陶瓷管壳上。

6、优选地，所述硅基光波导模块包含硅基光波导芯片、片上光分束器、光电探测器和垫块；所述光电探测器和片上光分数器电性相连并贴于硅基光波导芯片上，硅基光波导芯片贴于垫块上，垫块贴于陶瓷管壳上。

7、优选地，从激光器芯片出射的发散光束，经准直微透镜整形准直后，再经聚焦微透镜聚焦到硅基光波导芯片端面，耦合进硅基光波导模块中；激光器芯片出光位置、硅基光波导芯片端面与准直微透镜中心和聚焦微透镜中心高度保持一致。

8、优选地，激光器芯片、热敏电阻、半导体制冷器、硅基光波导芯片和光电探测器的电信号通过金丝键合焊接到陶瓷管壳引脚上。

9、优选地，聚焦微透镜聚焦的光束经片上光分束器分束成主光路和用于对准的调节光路，调节光路与光电探测器有两种耦合方式，方式一中光信号由硅基光波导端面输出，光电探测器则垂直固定在硅基光波导输出端面处；方式二中光信号由光栅输出，光电探测器则固定在输出光栅上。

10、一种激光器与硅基光波导微透镜耦合结构的制造方法，其特征在于，包括：

11、（1）使用六维调节架调整石英垫片位置，将激光器芯片与硅基光波导芯片对准；

12、（2）使用六维调节架调整准直微透镜、聚焦微透镜位置，使得光电探测器响应光电流最大。

13、优选地，使用uv胶固定石英垫片、准直微透镜和聚焦微透镜在陶瓷外壳上。

14、优选地，使用六维调节架夹具夹取石英垫片、准直微透镜和聚焦微透镜时，加热夹具上的高温蜡使之熔化，冷却后将石英垫片、准直微透镜、聚焦微透镜固定在夹具上；同理，加热夹具上的高温蜡使之熔化，释放夹具上的石英垫片、准直微透镜和聚焦微透镜。

15、采用上述技术方案带来的有益效果：

16、采用微透镜耦合方案，相对于与光纤耦合方案，尺寸大大降低，相对于紧贴式的端面耦合，双透镜方案具有对准容差大、理论损耗低、工艺稳定性好等优点。另外，光电探测器可以实时反馈微透镜和激光器对准时的信号，实现在线耦合。石英垫片光透过性好，可以精确调整激光器位置后使用紫外灯固化。半导体制冷器可以对激光器的工作温度进行精准调控。

技术特征：

1.一种激光器与硅基光波导微透镜耦合结构，其特征在于，该结构包含激光器模块、微透镜模块、硅基光波导模块和陶瓷管壳，所述激光器模块、微透镜模块和硅基光波导模块水平方向上依次排列并封装在陶瓷管壳中。

2.根据权利要求1所述一种激光器与硅基光波导微透镜耦合结构，其特征在于，所述激光器模块包含激光器芯片、热敏电阻、陶瓷电极转接板、石英垫片和半导体制冷器；激光器芯片和热敏电阻贴于陶瓷电极转接板上且热敏电阻贴于激光器芯片旁，陶瓷电极转接板贴于石英垫片上，石英垫片贴于半导体制冷器上。

3.根据权利要求2所述一种激光器与硅基光波导微透镜耦合结构，其特征在于，所述微透镜模块包含准直微透镜和聚焦微透镜，准直微透镜贴于激光器模块侧；聚焦微透镜贴于硅基光波导模块侧；聚焦微透镜和准直微透镜贴于陶瓷管壳上。

4.根据权利要求3所述一种激光器与硅基光波导微透镜耦合结构，其特征在于，所述硅基光波导模块包含硅基光波导芯片、片上光分束器、光电探测器和垫块；所述光电探测器和片上光分数器电性相连并贴于硅基光波导芯片上，硅基光波导芯片贴于垫块上，垫块贴于陶瓷管壳上。

5.根据权利要求4所述一种激光器与硅基光波导微透镜耦合结构，其特征在于，从激光器芯片出射的发散光束，经准直微透镜整形准直后，再经聚焦微透镜聚焦到硅基光波导芯片端面，耦合进硅基光波导模块中；激光器芯片出光位置、硅基光波导芯片端面与准直微透镜中心和聚焦微透镜中心高度保持一致。

6.根据权利要求4所述一种激光器与硅基光波导微透镜耦合结构，其特征在于，激光器芯片、热敏电阻、半导体制冷器、硅基光波导芯片和光电探测器的电信号通过金丝键合焊接到陶瓷管壳引脚上。

7.根据权利要求5所述一种激光器与硅基光波导微透镜耦合结构，其特征在于，聚焦微透镜聚焦的光束经片上光分束器分束成主光路和用于对准的调节光路，调节光路与光电探测器有两种耦合方式，方式一中光信号由硅基光波导端面输出，光电探测器则垂直固定在硅基光波导输出端面处；方式二中光信号由光栅输出，光电探测器则固定在输出光栅上。

8.一种激光器与硅基光波导微透镜耦合结构的制造方法，其特征在于，包括： （1）使用六维调节架调整石英垫片位置，将激光器芯片与硅基光波导芯片对准；

9.根据权利要求8所述一种激光器与硅基光波导微透镜耦合结构的制造方法，其特征在于，使用uv胶固定石英垫片、准直微透镜和聚焦微透镜在陶瓷外壳上。

10.根据权利要求8所述一种激光器与硅基光波导微透镜耦合结构的制造方法，其特征在于，使用六维调节架夹具夹取石英垫片、准直微透镜和聚焦微透镜时，加热夹具上的高温蜡使之熔化，冷却后将石英垫片、准直微透镜、聚焦微透镜固定在夹具上；同理，加热夹具上的高温蜡使之熔化，释放夹具上的石英垫片、准直微透镜和聚焦微透镜。

技术总结
本发明涉及一种激光器与硅基光波导微透镜耦合结构及其制造方法，该结构包含激光器模块、微透镜模块、硅基光波导模块和陶瓷管壳。从激光器芯片出射的发散光束，经准直微透镜整形准直后，再经聚焦微透镜聚焦到硅基光波导芯片端面，耦合进硅基光波导中，经硅基光波导芯片上的光分束器分为两束，一路作为主光路，另一路光路耦合进光电探测器中用于对准调节，在线监测激光器耦合效率。本发明所提供的激光器与硅基光波导微透镜耦合结构及其制造方法具有对准容差大、耦合效率高、工艺稳定性好等优点，是目前半导体激光器芯片与硅基光无源链路芯片片上集成工艺问题最为行之有效的解决方案。

技术研发人员：王艳,尤国庆,王东辰,徐鹏霄,唐光华
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第五十五研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12