CN114114565B - 一种半导体激光器准直器件 - Google Patents

Abstract

本申请属于光集成技术领域，公开了一种半导体激光器准直器件，包括衬底、半导体激光器芯片和条形光波导，半导体激光器芯片和条形光波导均设置在衬底的上表面；还包括设置在衬底的上表面的平板光波导，所述半导体激光器芯片的发射端和所述条形光波导的入射端分别与所述平板光波导的侧面贴壁连接；所述平板光波导包括椭圆弧形的全反射镜，所述全反射镜具有两个焦点，所述半导体激光器芯片的发射端设置在所述全反射镜的其中一个焦点处，所述条形光波导的入射端设置在所述全反射镜的另一个焦点处，所述全反射镜用于把入射光束全部反射到所述条形光波导的入射端；该半导体激光器准直器件可降低半导体激光器芯片和条形光波导之间的耦合损耗。

Description

一种半导体激光器准直器件

技术领域

本申请涉及光集成技术领域，具体而言，涉及一种半导体激光器准直器件。

背景技术

目前，光集成技术一般使用半导体激光器芯片作为光源，并使半导体激光器芯片发出的光波直接耦合至条形光波导中，为实现半导体激光器芯片和条形光波导的直接耦合，一般是把半导体激光器芯片和条形光波导同轴地贴装在衬底上，由于制造工艺的限制，半导体激光器芯片和条形光波导之间会存在位置和角度偏差，这种偏差会导致半导体激光器芯片和条形光波导之间具有较大的耦合损耗，从而降低光集成电路的效率。

发明内容

本申请的目的在于提供一种半导体激光器准直器件，可降低半导体激光器芯片和条形光波导之间的耦合损耗。

本申请提供了一种半导体激光器准直器件，包括衬底、半导体激光器芯片和条形光波导，所述半导体激光器芯片和所述条形光波导均设置在所述衬底的上表面；还包括设置在衬底的上表面的平板光波导，所述半导体激光器芯片的发射端和所述条形光波导的入射端分别与所述平板光波导的侧面贴壁连接；

所述平板光波导包括椭圆弧形的全反射镜，所述全反射镜具有两个焦点，所述半导体激光器芯片的发射端设置在所述全反射镜的其中一个焦点处，所述条形光波导的入射端设置在所述全反射镜的另一个焦点处，所述全反射镜用于把入射光束全部反射到所述条形光波导的入射端。

实际上，椭圆弧形的全反射镜具有如下光学特性：具有两个焦点，从其中一个焦点射入的光线无论入射角度是多少，只要是射向该椭圆弧形的全反射镜的，均被反射到另一个焦点处。该半导体激光器准直器件，利用椭圆弧形的全反射镜的这种光学特性，把半导体激光器芯片的发射端和条形光波导的入射端分别设置在椭圆弧形的全反射镜的两个焦点处，从而当半导体激光器芯片的安装角度具有偏差时，入射光束也能够全部反射到条形光波导的入射端，且与现有的直接耦合方式相比，半导体激光器芯片的相同安装位置偏差引起的耦合损耗更小，从而可降低半导体激光器芯片和条形光波导之间的耦合损耗。

优选地，所述平板光波导包括两个平直侧面，半导体激光器芯片的发射端垂直地连接在其中一个所述平直侧面处，所述条形光波导的入射端垂直地连接在另一个所述平直侧面处。

在一些实施方式中，所述全反射镜设置在所述平板光波导内。

在另一些实施方式中，所述全反射镜为所述平板光波导的其中一个侧面。其加工步骤更简单，生产成本更低。

优选地，所述平板光波导包括第一侧面、第二侧面和第三侧面，所述第一侧面、所述第二侧面和所述第三侧面依次首尾连接，所述第一侧面与所述第二侧面垂直，所述第三侧面为所述全反射镜；所述半导体激光器芯片的发射端与所述第一侧面贴壁连接，所述条形光波导的入射端与所述第二侧面贴壁连接。

优选地，所述条形光波导与所述平板光波导一体设置。从而可降低光波从平板光波导进入条形光波导时产生的损耗。

优选地，所述条形光波导和所述平板光波导的上表面还设置有包层。

优选地，所述包层的折射率小于或等于所述衬底的折射率，所述衬底的折射率小于所述条形光波导和所述平板光波导的折射率。

优选地，所述衬底由二氧化硅制成，所述条形光波导和所述平板光波导由硅、氮化硅或铌酸锂晶体制成。

优选地，所述包层由二氧化硅制成。

有益效果：

本申请提供的半导体激光器准直器件，由于从椭圆弧形的全反射镜的其中一个焦点射入的光线无论入射角度是多少，经反射后均可被反射到另一个焦点处，利用这种特性，把半导体激光器芯片的发射端和条形光波导的入射端分别设置在椭圆弧形的全反射镜的两个焦点处，从而当半导体激光器芯片的安装角度具有偏差时，入射光束也能够全部反射到条形光波导的入射端，且与现有的直接耦合方式相比，半导体激光器芯片的相同安装位置偏差引起的耦合损耗更小，从而可降低半导体激光器芯片和条形光波导之间的耦合损耗。

本申请的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请了解。

附图说明

图1为本申请实施例提供的半导体激光器准直器件的结构示意图。

图2为本申请实施例提供的半导体激光器准直器件的俯视图。

图3为半导体激光器芯片的X向位置偏差和角度偏差的变化引起耦合效率的变化的仿真结果。

图4为半导体激光器芯片的Y向位置偏差和角度偏差的变化引起耦合效率的变化的仿真结果。

标号说明：1、衬底；2、半导体激光器芯片；3、条形光波导；4、平板光波导；401、第一侧面；402、第二侧面；403、第三侧面；5、全反射镜。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

请参照图1-图2，图1是本申请一些实施例中的一种半导体激光器准直器件，包括衬底1、半导体激光器芯片2和条形光波导3，半导体激光器芯片2和条形光波导3均设置在衬底1的上表面；还包括设置在衬底1的上表面的平板光波导4，半导体激光器芯片2的发射端和条形光波导3的入射端分别与平板光波导4的侧面（本文中，平板光波导4的侧面是指位于平板光波导4的顶面和底面之间的面，平板光波导4的底面是与衬底1上表面贴合的面，顶面是背向衬底1的面）贴壁连接（即半导体激光器芯片2的发射端的端面、条形光波导3的入射端的端面与平板光波导4的侧面相贴合）；

平板光波导4包括椭圆弧形的全反射镜5，全反射镜5具有两个焦点，半导体激光器芯片2的发射端设置在全反射镜5的其中一个焦点处，条形光波导3的入射端设置在全反射镜5的另一个焦点处，全反射镜5用于把入射光束（即从半导体激光器芯片2发出并进入平板光波导4的光束）全部反射到条形光波导3的入射端。

实际上，椭圆弧形的全反射镜5具有如下光学特性：具有两个焦点，从其中一个焦点射入的光线无论入射角度是多少，只要是射向该椭圆弧形的全反射镜5的，均被反射到另一个焦点处。该半导体激光器准直器件，利用椭圆弧形的全反射镜5的这种光学特性，把半导体激光器芯片2的发射端和条形光波导3的入射端分别设置在椭圆弧形的全反射镜5的两个焦点处，从而当半导体激光器芯片2的安装角度具有偏差时，入射光束也能够全部反射到条形光波导3的入射端，且与现有的直接耦合方式相比，半导体激光器芯片2的相同安装位置偏差引起的耦合损耗更小，从而可降低半导体激光器芯片2和条形光波导3之间的耦合损耗。

具体地，为保证全反射镜5能够把入射光束全部反射到条形光波导3的入射端，全反射镜5在平板光波导4的厚度方向上的尺寸不小于平板光波导4的厚度，且该全反射镜5的下边沿不高于平板光波导4的下表面，该全反射镜5的上边沿不低于平板光波导4的上表面，该全反射镜5在垂直于入射光束中轴且平行于平板光波导4上表面的第一方向上可实现对入射光束的全遮挡（即入射光束在该第一方向上的两个边缘的边缘线均与该全反射镜5相交，例如图2中的两条虚线即为入射光束在该第一方向上的两个边缘的边缘线）。

其中，为降低光波从半导体激光器芯片2入射到平板光波导4时的损耗以及从平板光波导4入射到条形光波导3时的损耗，在一些优选实施方式中，平板光波导4包括两个平直侧面，半导体激光器芯片2的发射端垂直地连接在其中一个平直侧面处，条形光波导3的入射端垂直地连接在另一个平直侧面处。

在一些实施方式中，全反射镜5设置在平板光波导4内。例如，可在平板光波导4上开设一个椭圆弧形的凹槽，该凹槽朝向半导体激光器芯片2和条形光波导3的侧面即为全反射镜5，此外，还可在该凹槽内填充折射率比平板光波导4的折射率低的填充材料以保证全反射效果。也可直接在平板光波导4上嵌入一个椭圆弧形的全反射镜5。

在另一些实施方式中，如图2所示，全反射镜5为平板光波导4的其中一个侧面（即，平板光波导4包括一个椭圆弧形的侧面，该椭圆弧形的侧面作为全反射镜5使用）。与上一种实施方式相比，其加工步骤更简单，生产成本更低。

例如图2所示的半导体激光器准直器件，平板光波导4包括第一侧面401、第二侧面402和第三侧面403，第一侧面401、第二侧面402和第三侧面403依次首尾连接，第一侧面401与第二侧面402垂直（第一侧面401和第二侧面402均为平直侧面），第三侧面403为全反射镜5（即第三侧面403为椭圆弧形的侧面）；半导体激光器芯片2的发射端与第一侧面401贴壁连接，条形光波导3的入射端与第二侧面402贴壁连接。该平板光波导4的形状结构简单，加工方便。在实际应用中，平板光波导4的结构不限于此，其侧面的数量不限于是三个。

在一些进一步的实施例中，该第一侧面401的长度为17μm，该第二侧面402的长度为17μm，该全反射镜5（即第三侧面403）的椭圆焦距为8.5μm、半长轴为12μm，半短轴为8.5μm。

其中，条形光波导3与平板光波导4可相互独立设置。优选地，条形光波导3与平板光波导4一体设置；从而可进一步降低光波从平板光波导4进入条形光波导3时产生的损耗。

一般地，条形光波导3与平板光波导4的折射率比空气的折射率大，因此，即使不在条形光波导3与平板光波导4的上表面涂覆包层也可实现对光波的全反射，从而避免光波从上表面透射引起损耗。但在更优选地的实施方式中，条形光波导3和平板光波导4的上表面还设置有包层，从而能够更加可靠地保证对光波的全反射，避免光波从上表面透射引起损耗。

其中，包层的折射率小于或等于衬底1的折射率，衬底1的折射率小于平板光波导4和条形光波导3的折射率。从而确保光波在平板光波导4和条形光波导3的上下表面之间能够实现全反射，避免光的透射引起损耗。例如，条形光波导3和平板光波导4的折射率为3.45（条形光波导3和平板光波导4由硅制成时），衬底1和包层的折射率均为1.45（衬底1和包层由二氧化硅制成时）。

在一些实施方式中，衬底1由氧化物（如二氧化硅、二氧化铪或氮化硅等绝缘层）制成，条形光波导3和平板光波导4由硅、氮化硅或铌酸锂晶体制成。

进一步地，包层由氧化物（如二氧化硅、二氧化铪或氮化硅等绝缘层）或聚合物（如SU8、PMMA、PTFE等）制成。

在一些优选实施方式中，条形光波导3和平板光波导4的厚度均为0.22μm，条形光波导3的宽度为0.45μm。条形光波导3的标准尺寸为0.45μm*0.22μm，因此把条形光波导3的厚度设为0.22μm，宽度设为0.45μm，使该半导体激光器准直器件具有良好的适用性。

在一些实施例中，衬底1由二氧化硅制成且厚度为2μm。

在一个具体实施方式中，半导体激光器准直器件包括包层，衬底1和包层均由二氧化硅制成，衬底1的厚度为2μm，条形光波导3和平板光波导4均由硅制成，且厚度均为0.22μm，条形光波导3的宽度为0.45μm，平板光波导4包括第一侧面401、第二侧面402和第三侧面403，半导体激光器芯片2的出射光波中心波长为1550nm（此为单模光纤中的标准波长之一），通过基于时域有限差分法Rsoft仿真软件进行仿真计算，半导体激光器芯片2的X向位置偏差（即垂直于标准出射光束中轴且平行于平板光波导4上表面的方向上的位置偏差，在图2中为左右方向的位置偏差）和角度偏差的变化引起耦合效率的变化的仿真结果如图3所示，半导体激光器芯片2的Y向位置偏差（即在标准出射光束中轴的轴向上的位置偏差）和角度偏差的变化引起耦合效率的变化的仿真结果如图4所示。其中，图3中的横坐标为X向位置偏差，纵坐标为角度偏差，颜色深度表示耦合效率；图4中的横坐标为Y向位置偏差，纵坐标为角度偏差，颜色深度表示耦合效率；从图中可以看到，当半导体激光器芯片2的位置偏差在±0.5μm范围内变化，角度偏差在±5°范围内变化时，耦合效率均＞95%，具有较低的耦合损失。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种半导体激光器准直器件，包括衬底（1）、一个半导体激光器芯片（2）和一个条形光波导（3），所述半导体激光器芯片（2）和所述条形光波导（3）均设置在所述衬底（1）的上表面；其特征在于，还包括设置在衬底（1）的上表面的平板光波导（4），所述半导体激光器芯片（2）的发射端和所述条形光波导（3）的入射端分别与所述平板光波导（4）的侧面贴壁连接；

所述平板光波导（4）包括椭圆弧形的全反射镜（5），所述全反射镜（5）具有两个焦点，所述半导体激光器芯片（2）的发射端设置在所述全反射镜（5）的其中一个焦点处，所述条形光波导（3）的入射端设置在所述全反射镜（5）的另一个焦点处，所述全反射镜（5）用于把入射光束全部反射到所述条形光波导（3）的入射端；所述入射光束为从所述半导体激光器芯片（2）发出并进入所述平板光波导（4）的光束；

所述平板光波导（4）包括两个平直侧面，半导体激光器芯片（2）的发射端垂直地连接在其中一个所述平直侧面处，所述条形光波导（3）的入射端垂直地连接在另一个所述平直侧面处；

所述全反射镜（5）为所述平板光波导（4）的其中一个侧面；

所述平板光波导（4）包括第一侧面（401）、第二侧面（402）和第三侧面（403），所述第一侧面（401）、所述第二侧面（402）和所述第三侧面（403）依次首尾连接，所述第一侧面（401）与所述第二侧面（402）垂直，所述第三侧面（403）为所述全反射镜（5）；所述半导体激光器芯片（2）的发射端与所述第一侧面（401）贴壁连接，所述条形光波导（3）的入射端与所述第二侧面（402）贴壁连接。

2.根据权利要求1所述的半导体激光器准直器件，其特征在于，所述条形光波导（3）与所述平板光波导（4）一体设置。

3.根据权利要求1所述的半导体激光器准直器件，其特征在于，所述条形光波导（3）和所述平板光波导（4）的上表面还设置有包层。

4.根据权利要求3所述的半导体激光器准直器件，其特征在于，所述包层的折射率小于或等于所述衬底（1）的折射率，所述衬底（1）的折射率小于所述条形光波导（3）和所述平板光波导（4）的折射率。

5.根据权利要求1所述的半导体激光器准直器件，其特征在于，所述衬底（1）由二氧化硅制成，所述条形光波导（3）和所述平板光波导（4）由硅、氮化硅或铌酸锂晶体制成。

6.根据权利要求3所述的半导体激光器准直器件，其特征在于，所述包层由二氧化硅制成。

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