[发明专利]半导体激光器芯片与硅光芯片的耦合结构及耦合方法

说明书

一种半导体激光器芯片与硅光芯片的耦合结构及耦合方法，该耦合结构包括激光器单元，其包含有激光器芯片；硅光芯片，其上设有波导；以及刻蚀槽，其设置在硅光芯片的耦合端，用于连接激光器单元和硅光芯片。本发明能够实现半导体激光器芯片与硅光芯片的高效率耦合，有利于为硅光混合集成提供高品质光源，本发明在硅光芯片耦合端面镀了增透膜，同时减小了耦合损耗和激光器的RIN噪声，且在激光器芯片和硅光芯片的缝隙中填充折射率匹配胶，减小了光场散射损耗，进一步减小了耦合损耗。

技术领域

本公开属于光子集成领域，更具体地涉及一种半导体激光器芯片与硅光芯片的耦合结构及耦合方法。

背景技术

当前光通信的一个发展趋势是实现集成化，类似于集成电路，将光通信系统集成在单一光电子芯片上，只有集成化才能实现高密度、低成本、低能耗，满足信息社会信息急速膨胀的需求。近些年，硅基光电集成取得了一系列令人振奋的成果，如硅基光波导、光开关、调制器以及探测器均已实现，但真正能够实用的硅基光源仍悬而未决。这主要由于硅是间接带隙半导体，辐射复合过程需要声子的参与，因而发光效率很低。近些年来，硅基光源的研究取得了一些进展，比如得到全光硅拉曼激光，实现室温电致Ge(锗)激光器，突破了硅上GeSn(锗锡)激光以及硅上集成/外延III-V激光。但制备高质量的光源材料，工艺复杂且不成熟，单片集成的硅基光源出光功率很低，RIN(相对强度噪声)噪声比较差，无法满足很多应用场合对于光源大功率及高性能的需求。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提出一种半导体激光器芯片与硅光芯片的耦合结构及耦合方法，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种半导体激光器芯片与硅光芯片的耦合结构，包括：

激光器单元，其包含有激光器芯片；

硅光芯片，其上设有波导；以及

刻蚀槽，其设置在硅光芯片的耦合端，用于连接激光器单元和硅光芯片。

作为本发明的另一个方面，还提供了一种如上所述耦合结构的制备方法，包括如下步骤：

(1)在硅光芯片的耦合端面设置用于和激光器单元中的激光器芯片耦合的刻蚀槽，得到硅光芯片一；

(2)在激光器单元的衬底上需要连接硅光芯片的位置上设置垫块；

(3)将激光器芯片的有源区与硅光芯片一的波导对准后，在硅光芯片的刻蚀槽内与激光器芯片之间设置折射率匹配胶，在垫块与硅光芯片之间设置固定胶固定，即得到所述的耦合结构。

作为本发明的又一个方面，还提供了一种光电集成系统，内含有如上所述耦合结构或如上所述制备方法得到的耦合结构。

基于上述技术方案可知，本发明半导体激光器芯片与硅光芯片的耦合结构及耦合方法相对于现有技术至少具有以下优势之一：

1、本公开的结构中硅光芯片耦合端制备有模斑变换器(SSC)，使激光器芯片的微米级光模场与硅光芯片中的亚微米级光模场高效匹配，实现光场低损耗(仿真损耗小于1dB)转换；

2、本公开的结构中在激光器芯片和硅光芯片的缝隙中填充折射率匹配胶，减小了光场散射损耗，进一步减小了耦合损耗；

3、本公开的结构中硅光芯片耦合端面镀了增透膜，减小了光反射，降低耦合损耗的同时减少了反射波对激光器的干扰，减小了激光器的RIN噪声(＜-150dBc/Hz)；

4、本公开的结构中两芯片耦合的微小高度差通过在硅光芯片和垫块之间利用毛细效应注入紫外固化胶来补偿，在固化过程中可以不断调整硅光芯片的位置以达到耦合的最佳状态，使芯片之间耦合更灵活，不受限于机械加工精度且耦合效果更好。