CN111585166A - 一种半导体激光器芯片与lnoi光芯片的异构集成结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了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SiN锥形结构和LNOI锥形结构中间，激光器芯片通过贴片材料键合在镶嵌槽中，激光器发光端面嵌入双层锥形结构并与其对准，同时实现激光器芯片光模场向LNOI光路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、增透膜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。本发明将双层的SiN锥形结构和LNOI锥形结构两侧挖空，降低锥形结构侧面辐射和散射，有效降低LNOI锥形结构与LNOI集成光路的光耦合损耗。
Description
技术领域
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，Lithium Niobate on Insulator)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。
发明内容
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。
Claims (6)
1.一种半导体激光器芯片与LNOI光芯片的异构集成结构，其特征在于：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)；
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)键合在镶嵌槽(1)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(3)、增透膜(4)；双层的SiN锥形结构(5)和LNOI锥形结构(6)外侧为挖空结构；
LNOI集成光路(8)嵌于SiO2包层(9)中，所述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。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器芯片与LNOI光芯片的异构集成结构，其特征在于：镶嵌槽(1)底面位于衬底(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(12)上面。
3.根据权利要求1或2所述的半导体激光器芯片与LNOI光芯片的异构集成结构，其特征在于：所述LNOI锥形结构(6)为矩形光波导结构。
4.根据权利要求1或2所述的半导体激光器芯片与LNOI光芯片的异构集成结构，其特征在于：所述LNOI集成光路(8)为脊型光波导结构，SiO2包层(9)中间嵌埋有LNOI平板层。
5.根据权利要求1或2所述的半导体激光器芯片与LNOI光芯片的异构集成结构，其特征在于：所述LNOI集成光路(8)为矩形光波导结构。
6.根据权利要求1所述的半导体激光器芯片与LNOI光芯片的异构集成结构，其特征在于：所述激光器芯片(2)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。
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