CN105259623A - 一种激光器与光栅耦合器的封装结构及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种激光器与光栅耦合器的封装结构及其方法，其中：激光器与光栅耦合器的封装结构包括设在硅光芯片上的激光器单元、准直透镜、隔离器及反射棱镜；硅光芯片包括表平面上设有的第一电极、第一和第二标记、光栅耦合器以及波导层；激光器单元包括过渡基板和激光器；准直透镜包括第一、第二透镜，第一透镜垂立于表平面，第二透镜对位第二标记设于表平面，使得光栅耦合器位于第二透镜光路主轴的中心区域，以及隔离器安装在介于第一、第二透镜之间表平面，使得激光器输出的发散光经过第一透镜准直后，透过隔离器入射到反射棱镜上，经过反射棱镜的角度偏转后由第二透镜汇聚，汇聚点位于光栅耦合器表面，藉由前述构造，解决了精确对位封装的技术问题，达成了方便制成，提升产品良率的效果。

Description

一种激光器与光栅耦合器的封装结构及其方法
技术领域
本发明提供一种硅光子集成器件，尤其是指提供一种激光器与光栅耦合器的封装结构及其方法。
背景技术
基于硅基之单片集成的光电芯片，是目前国际上研究的热点，硅基光电子集成技术是将光波导/调制器、光电探测器及驱动电路和接收器电路进行单片集成，即将光学元件和电学元件集成在一个芯片上，所有器件均采用标准集成电路工艺制备，其优点在于制作工艺成熟、成本低、体积小，适合于数据中心等中短距离光通信的应用。
虽然硅基材料可以制作光纤通信中的大部分光器件和电器件，但由于硅是间接半导体材料，其导带和价带的极值对应于不同的波矢，辐射复合几率很低，而且存在两个强非辐射跃迁过程：俄歇复合和自由载流子吸收。因此，目前无法制作成激光器元件。现在很多研究旨在克服硅的这种限制，例如，杂质掺杂、量子限制、硅-锗合金等。但还未出现完全满足性能要求的设计，故在硅基的单片集成光电芯片中，目前比较简单可行的方式，是采用外部混合集成三五族激光器的方式来实现光源的功能。因此，如何提高耦合效率，简化耦合工艺是一个亟待解决的问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的主要目的在于提供一种激光器与光栅耦合器的封装结构。
为达成上述目的，本发明应用的技术方案是：提供一种激光器与光栅耦合器的封装结构，包括设在硅光芯片上的激光器单元、准直透镜、隔离器及反射棱镜，其中：硅光芯片包括表平面及其依序在表平面上设有的第一电极、第一标记、第二标记、光栅耦合器以及波导层；激光器单元包括过渡基板和激光器，还包括暴露在过渡基板顶表面上的第二电极；准直透镜包括第一、第二透镜，其中：第一透镜以光路对准激光器形式垂立于表平面，第二透镜对位第二标记设于表平面，使得光栅耦合器位于第二透镜光路主轴的中心区域，以及隔离器安装在介于第一、第二透镜之间表平面，使得激光器输出的发散光经过第一透镜准直后，透过隔离器入射到反射棱镜上，经过反射棱镜的角度偏转后由第二透镜汇聚，汇聚点位于光栅耦合器表面。
在本实施例中优选，顶表面还设有焊料部，焊料部靠近顶表面右侧边设置，且与第二电极电性相连，靠近焊料部的顶表面还设有第三标记。
在本实施例中优选，过渡基板对位第一标记安装在表平面上，激光器在对位第三标记时通过焊料部固定在顶表面上。
在本实施例中优选，过渡基板采用硅、氮化铝和/或氧化铝材料成型。
为解决上述技术问题，本发明的主要目的在于提供一种激光器与光栅耦合器的封装方法。
为达成上述目的，本发明应用的技术方案是：提供一种激光器与光栅耦合器的封装方法，包括：
先在过渡基板上制作有第二电极、焊料部以及第三标记，激光器与第三标记精确对位后，通过焊料部贴装在过渡基板上，激光器顶层具有顶层电极，顶层电极通过金丝线连接第二电极；
再在硅光芯片的表平面制作用于与过渡基板进行对位的第一标记以及用于贴装第二透镜时做到精确对位的第二标记，第二透镜直接贴装在硅光芯片上，使之焦平面与硅光芯片接触，以及
在第二标记的辅位作用下，使得第二透镜对位贴装时，光栅耦合器位于第二透镜的光路主轴的中心区域。
在本实施例中优选，第一透镜在硅光芯片上为可作移位调节结构，并以此能将激光器输出光变换为平行光，第一透镜和硅光芯片之间填充有紫外胶或热固胶固化。
在本实施例中优选，光隔离器设在第一透镜和反射棱镜之间，反射棱镜固定于表平面，其倾斜反射端面位于第二透镜正上方，反射棱镜将平行光束通过第二透镜耦合进光栅耦合器，通过微调位置来找到耦合效率最大点，然后，采用紫外胶或热固胶进行固化。
在本实施例中优选，通过调解第二透镜以及对反射棱镜的角度设置变化，使光栅耦合器得到最佳的耦合效率，其中：反射棱镜入射到光栅耦合器的光束角度在30°至60°之间。
在本实施例中优选，过渡基板通过第一标记对位后贴装并填充紫外胶或热固胶进行固化，同时第二电极与第一电极通过金丝建立电性连接，并以此使得激光器与硅光芯片建立电性连接。
在本实施例中优选，紫外胶或热固胶均为透光胶，固化于激光器与光栅耦合器的封装结构上的透光胶对波长为1.2um至1.6um的光透传。
本发明与现有技术相比，其有益的效果是：
采用光刻对准、倒装焊等工艺，来保证贴装精度，实现高效率耦合，具体表面为：
1.结构简单，易于实现混合集成芯片的量产；
2.对回波信号有隔离作用，避免反射光引起激光器性能不稳定；
3.通过双透镜进行光束变换，实现输入光栅耦合器的光束模场匹配，从而减小耦合损耗。
附图说明
图1是本实施例之组立结构示意图。
图2是图1中硅光芯片表平面的结构示意图。
图3是图1中过渡基板顶表面的结构示意图。
图4是本实施例简要的工作原理示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例及附图对本发明作进一步详细说明。所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明的技术方案，而不应当理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”或“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。
请参阅图1并结合参阅图2、图3所示，是本发明提供的一种激光器与光栅耦合器的封装结构，图1中包括设在硅基光电芯片(以下简称“硅光芯片”)10上的激光器单元20、准直透镜30、隔离器40及反射棱镜50，其中：
硅光芯片10呈矩形板块，并包括表平面11及其依序(从左至右)在表平面11上的第一电极12、第一标记13、第二标记14、光栅耦合器15以及波导层16(如图2)；
激光器单元20包括过渡基板21和激光器22，还包括暴露在过渡基板21顶表面(未标注)上的第二电极23。请结合参阅图3所示，在过渡基板21顶表面(靠近右侧边)还设有与第二电极23相连的焊料部24，在靠近焊料部24处设有第三标记25。在本实施例中，过渡基板21对位第一标记13安装在表平面11上，而激光器22在对位第三标记25时通过焊料部24固定在顶表面上。其中，第二电极23包括第三子电极231和第四子电极232，用于连接焊料部24的为第三子电极231，所述焊料部24用于焊接激光器单元20的负极；所述第四子电极232利用金丝线与激光器单元20的正极连接。
准直透镜30(如图1)包括第一、第二准直透镜(以下简称“第一、第二透镜”)31、32，其中：第一透镜31以其光路对准激光器22并以直立形式设于表平面11，第二透镜32对位第二标记14(平卧)设于表平面11，使得光栅耦合器15位于第二透镜32光路主轴的中心区域，以及
隔离器40(如图1)安装在表平面11且介于第一、第二透镜31、32之间位置，使得激光器22输出的散光经过第一透镜31准直后成为平行光，再透过隔离器40入射到反射棱镜50上，经过反射棱镜50(如图1及图4)的角度偏转后由第二透镜32进行汇聚，汇聚点位于第二透镜32的端面，即光栅耦合器15表面。
请再参阅图1并结合参阅图2至图4所示，本发明提供的一种激光器与光栅耦合器的封装结构的方法，包括：
在过渡基板21(采用硅、氮化铝、氧化铝等导热性能良好的材料)上制作有第二电极23(如传输线类的金属极)、焊料部24(如可采用表面粘接技术将激光器22粘接一体的预置焊料区域)以及第三标记25(如金属对准标记)；
激光器22通过与第三标记25精确对位后，通过焊料部24贴装在过渡基板21上，其贴装是加热融化焊料，使得激光器22底部与顶表面(未标注)固为一体。在激光器22顶层设有顶层电极，顶层电极通过金丝线(未图示)连接第二电极23的第四子电极232。
在硅光芯片10的表平面11，制作用于与带激光器22的过渡基板21进行对位的第一标记13以及用于贴装第二透镜32时做到精确对位的第二标记14(第一、第二标记14均为金属对准标记)。具体地：过渡基板21通过第一标记13对位后贴装并填充紫外胶或热固胶进行固化，再通过金丝(未图示)将第二电极23与第一电极12连接，从而实现激光器22与硅光芯片20的电性连接。通过第一、第二及第三标记13、14、25的精确定位，保证了激光器22与光栅耦合器15在硅光芯片10上的相对位置的精准安装，从而也便于后续光路的调节。
第二透镜32直接贴装在硅光芯片10之上，其平端面(即焦平面)与硅光芯片10精密接触，并采用紫外胶粘接固定，紫外胶为透光胶(即对波长为1.2um至1.6um的光透传)。
在第二标记14的辅位支持下，方便第二透镜32对位贴装，使光栅耦合器15能够精确地位于第二透镜32光路主轴的中心区域。
设在硅光芯片10上的第一透镜31，可以对其位置进行调节，以此实现将激光器22输出光变换为平行光，然后在第一透镜31和硅光芯片10之间填充紫外胶或热固胶进行固化。
光隔离器40设在第一透镜31和反射棱镜50之间，其作用在于防止反射光进入激光器22，从而避免对激光器22的损伤，本发明中光隔离器40可以是法拉第光旋转器。
反射棱镜50固定于表平面11，其倾斜反射端面位于第二透镜32正上方，反射棱镜50将平行光束通过第二透镜32耦合进光栅耦合器15。通过微调位置来找到耦合效率最大点，然后，采用紫外胶或热固胶进行固化。为了使光栅耦合器15得到最佳的耦合效率，通过设计反射棱镜50的反射角度，使入射到光栅耦合器15的光束有角度倾斜。因此，反射棱镜50的倾斜角度应在30°至60°之间。

Claims (10)

1.一种激光器与光栅耦合器的封装结构，包括设在硅光芯片上的激光器单元、准直透镜、隔离器及反射棱镜，其特征在于：硅光芯片包括表平面及其依序在表平面上设有的第一电极、第一标记、第二标记、光栅耦合器以及波导层；激光器单元包括过渡基板和激光器，还包括暴露在过渡基板顶表面上的第二电极；准直透镜包括第一、第二透镜，其中：第一透镜以光路对准激光器形式垂立于表平面，第二透镜对位第二标记设于表平面，使得光栅耦合器位于第二透镜光路主轴的中心区域，以及隔离器安装在介于第一、第二透镜之间表平面，使得激光器输出的发散光经过第一透镜准直后，透过隔离器入射到反射棱镜上，经过反射棱镜的角度偏转后由第二透镜汇聚，汇聚点位于光栅耦合器表面。
2.如权利要求1所述的激光器与光栅耦合器的封装结构，其特征在于：顶表面还设有焊料部，焊料部靠近顶表面右侧边设置，且与第二电极电性相连，靠近焊料部的顶表面还设有第三标记。
3.如权利要求2所述的激光器与光栅耦合器的封装结构，其特征在于：过渡基板对位第一标记安装在表平面上，激光器在对位第三标记时通过焊料部固定在顶表面上。
4.如权利要求3所述的激光器与光栅耦合器的封装结构，其特征在于：过渡基板采用硅、氮化铝和/或氧化铝材料成型。
5.一种如权利要求1所述的激光器与光栅耦合器的封装方法，其特征在于：该方法包括：
先在过渡基板上制作有第二电极、焊料部以及第三标记，激光器与第三标记精确对位后，通过焊料部贴装在过渡基板上，激光器顶层具有顶层电极，顶层电极通过金丝线连接第二电极；
再在硅光芯片的表平面制作用于与过渡基板进行对位的第一标记以及用于贴装第二透镜时做到精确对位的第二标记，第二透镜直接贴装在硅光芯片上，使之焦平面与硅光芯片接触，以及
在第二标记的辅位作用下，使得第二透镜对位贴装时，光栅耦合器位于第二透镜的光路主轴的中心区域。
6.如权利要求1所述的激光器与光栅耦合器的封装方法，其特征在于：第一透镜在硅光芯片上为可作移位调节结构，并以此能将激光器输出光变换为平行光，第一透镜和硅光芯片之间填充有紫外胶或热固胶固化。
7.如权利要求6所述的激光器与光栅耦合器的封装方法，其特征在于：光隔离器设在第一透镜和反射棱镜之间，反射棱镜固定于表平面，其倾斜反射端面位于第二透镜正上方，反射棱镜将平行光束通过第二透镜耦合进光栅耦合器，通过微调位置来找到耦合效率最大点，然后，采用紫外胶或热固胶进行固化。
8.如权利要求7所述的激光器与光栅耦合器的封装方法，其特征在于：通过调解第二透镜以及对反射棱镜的角度设置变化，使光栅耦合器得到最佳的耦合效率，其中：反射棱镜入射到光栅耦合器的光束角度在30°至60°之间。
9.如权利要求8所述的激光器与光栅耦合器的封装方法，其特征在于：过渡基板通过第一标记对位后贴装并填充紫外胶或热固胶进行固化，同时第二电极与第一电极通过金丝建立电性连接，并以此使得激光器与硅光芯片建立电性连接。
10.如权利要求9所述的激光器与光栅耦合器的封装方法，其特征在于：紫外胶或热固胶均为透光胶，固化于激光器与光栅耦合器的封装结构上的透光胶对波长为1.2um至1.6um的光透传。
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