CN114609722A - 一种基于光偏转调制的集成光源及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于光偏转调制的集成光源及其制备方法，激光芯片的出光口指向待集成芯片，调制片位于待集成芯片与激光芯片之间；激光芯片的激光口表面设置有用于对激光芯片发出激光进行整形的微透镜，调制片表面设置有超结构，超结构至少用于将透过调制片出射的激光的出射角偏转至预设角度；待集成芯片表面设置有耦合光栅，用于将透过调制片出射的激光耦合进待集成芯片。先通过微透镜对激光进行整形，再通过调制片将激光的传播角度整体偏转至预设角度，倾斜直至照射至耦合光栅，可以保证耦合光栅具有较高的耦合效率，同时待集成芯片、调制片以及激光芯片可以沿垂直方向键合，简化对准封装过程和对准精度，降低制作成本。

Description

一种基于光偏转调制的集成光源及其制备方法
技术领域
本发明涉及基于光偏转调制的集成光源技术领域，特别是涉及一种基于光偏转调制的集成光源以及一种基于光偏转调制的集成光源的制备方法。
背景技术
随着微纳光电子集成技术的发展，光电子器件的尺寸越来越小，特别是硅基光电子学的发展，硅材料非常大的折射率使得人们有可能将器件做得更小，将更多的光电子功能器件集成在同一芯片上。但是同时，小的尺寸也给系统的耦合和对准带来很大的困难。一般来说，集成光波导截面尺寸比普通单模光纤小几十倍，即使拉锥光纤也无法克服如此巨大的模场失配，这个巨大的差异使得它们直接耦合非常困难。硅基波导器件，如调制器，分束器等都取得了巨大的发展，但系统对外的耦合问题始终是一个严峻的挑战。
常规的有源无源器件耦合集成通常采用端面耦合和面耦合的方法。端面耦合是光纤通过波导端面直接将光耦合进波导的方法，通常的端面耦合结构的制备非常困难，而且制作容差小，还需要侧面抛光，耦合封装困难，不适应大规模集成光路的发展。面耦合方法是光通过样片表面以衍射或倏逝波等形式耦合进波导的方法。相对于端面耦合，它最大的优点是不需要对耦合端进行解理、抛光、镀膜等，可以在光路中的任何地方实现信号的上载下载，大大加强了系统设计灵活度和降低了系统封装测试成本。光栅耦合器作为一种面耦合器成为这方面研究的热点。但由于普通对称光栅耦合效率的局限性，仍必须采用倾斜入射；且集成光栅耦合器本身存在高度偏振敏感等问题。同时，完全垂直耦合比非完全垂直耦合在对准封装上有着更突出的优点，是纳米光波导最理想的耦合模式，且垂直耦合效果佳，能够实现工艺制备。
在实际应用中，往往更需要一种光源集成方法，以便于将调制光源与各种基底上芯片直接耦合集成在微芯片系统中，满足光源集成芯片多样化集成化的实际需求。所以如何提供一种可以同时实现激光倾斜入射以及各部件垂直耦合的集成光源是本领域技术人员急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于光偏转调制的集成光源，可以保证激光倾斜入射的同时各部件垂直耦合；本发明得来另一目的在于提供一种基于光偏转调制的集成光源的制备方法，可以保证激光倾斜入射的同时各部件垂直耦合。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于光偏转调制的集成光源，包括待集成芯片、调制片以及激光芯片；
所述待集成芯片与所述激光芯片相对设置，所述激光芯片的出光口指向所述待集成芯片，所述调制片位于所述待集成芯片与所述激光芯片之间；
所述激光芯片的激光口表面设置有用于对所述激光芯片发出激光进行整形的微透镜，所述调制片表面设置有超结构，所述超结构至少用于将透过所述调制片出射的激光的出射角偏转至预设角度；
所述待集成芯片表面设置有耦合光栅，用于将透过所述调制片出射的激光耦合进所述待集成芯片。
可选的，所述超结构包括：
位于所述调制片朝向所述激光芯片一侧表面的第一超结构，所述第一超结构用于产生入射的x线偏振光和y线偏振光各自对应的透射相位；
位于所述调制片朝向所述待集成芯片一侧表面的第二超结构，所述第二超结构用于调整所述x线偏振光和所述y线偏振光的透射相位使具有相同的相位梯度。
可选的，所述微透镜为凸透镜。
可选的，所述耦合光栅包括：
位于所述待集成芯片朝向所述激光芯片一侧表面的全反射层；
位于所述全反射层朝向所述激光芯片一侧表面的波导层光栅；所述波导层光栅材质的折射率大于所述全反射层的折射率。
可选的，所述激光芯片与所述调制片之间通过键合柱相互键合；所述激光芯片与所述待集成芯片之间通过键合柱相互键合。
可选的，所述键合柱的高度与所述微透镜的焦距相互匹配。
可选的，所述激光芯片为垂直腔面发射激光器。
本发明还提供了一种基于光偏转调制的集成光源的制备方法，包括：
在激光芯片的出光口表面设置微透镜；所述微透镜用于对所述激光芯片发出激光进行整形；
在调制片表面设置超结构；所述超结构至少用于将透过所述调制片出射的激光的出射角偏转至预设角度；
在待集成芯片表面设置耦合光栅；所述耦合光栅用于将透过所述调制片出射的激光耦合进所述待集成芯片；
将所述待集成芯片与所述激光芯片相对设置，将所述调制片设置于所述待集成芯片与所述激光芯片之间，将所述待集成芯片、所述激光芯片与所述调制片键合，以制成所述集成光源。
可选的，所述将所述待集成芯片与所述激光芯片相对设置，将所述调制片设置于所述待集成芯片与所述激光芯片之间，将所述待集成芯片、所述激光芯片与所述调制片键合，以制成所述集成光源包括：
通过键合柱将所述激光芯片的出光口朝向所述调制片相互键合，并通过键合柱将所述待集成芯片键合于所述调制片背向所述激光芯片一侧，以制成所述集成光源。
可选的，所述在调制片表面设置超结构包括：
在所述调制片朝向所述激光芯片一侧表面设置第一超结构；所述第一超结构用于产生入射的x线偏振光和y线偏振光各自对应的透射相位；
在所述调制片朝向所述待集成芯片一侧表面设置第二超结构；所述第二超结构用于调整所述x线偏振光和所述y线偏振光的透射相位使具有相同的相位梯度。
本发明所提供的一种基于光偏转调制的集成光源，包括待集成芯片、调制片以及激光芯片；待集成芯片与激光芯片相对设置，激光芯片的出光口指向待集成芯片，调制片位于待集成芯片与激光芯片之间；激光芯片的激光口表面设置有用于对激光芯片发出激光进行整形的微透镜，调制片表面设置有超结构，超结构至少用于将透过调制片出射的激光的出射角偏转至预设角度；待集成芯片表面设置有耦合光栅，用于将透过调制片出射的激光耦合进待集成芯片。
先通过微透镜对激光进行整形，再通过调制片将激光的传播角度整体偏转至预设角度，倾斜直至照射至耦合光栅，可以保证耦合光栅具有较高的耦合效率，同时待集成芯片、调制片以及激光芯片可以沿垂直方向键合，简化对准封装过程和对准精度，降低制作成本。
本发明还提供了一种基于光偏转调制的集成光源的制备方法，同样具有上述有益效果，在此不再进行赘述。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所提供的一种基于光偏转调制的集成光源的结构示意图；
图2至图3为本发明实施例所提供的一种具体的调制片的结构示意图；
图4为圆偏振光入射超表面时，产生线偏振光透射的电场分布图；
图5为图4对应的角度偏转图；
图6为线偏振光45°入射超表面时，产生圆偏振光透射的电场分布图；
图7为图6对应的角度偏转图；
图8为本发明实施例所提供的一种基于光偏转调制的集成光源的制备方法的流程图。
图中：1.激光芯片、2.调制片、3.待集成芯片、4.微透镜、5.超结构、6.键合柱、7.耦合光栅、71.全反射层、72.波导层光栅。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种基于光偏转调制的集成光源。在现有技术中，由于普通对称光栅耦合效率的局限性，仍必须采用倾斜入射；且集成光栅耦合器本身存在高度偏振敏感等问题。同时，完全垂直耦合比非完全垂直耦合在对准封装上有着更突出的优点，这之间存在矛盾。
而本发明所提供的一种基于光偏转调制的集成光源，包括待集成芯片、调制片以及激光芯片；待集成芯片与激光芯片相对设置，激光芯片的出光口指向待集成芯片，调制片位于待集成芯片与激光芯片之间；激光芯片的激光口表面设置有用于对激光芯片发出激光进行整形的微透镜，调制片表面设置有超结构，超结构至少用于将透过调制片出射的激光的出射角偏转至预设角度；待集成芯片表面设置有耦合光栅，用于将透过调制片出射的激光耦合进待集成芯片。
先通过微透镜对激光进行整形，再通过调制片将激光的传播角度整体偏转至预设角度，倾斜直至照射至耦合光栅，可以保证耦合光栅具有较高的耦合效率，同时待集成芯片、调制片以及激光芯片可以沿垂直方向键合，简化对准封装过程和对准精度，降低制作成本。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图1，图1为本发明实施例所提供的一种基于光偏转调制的集成光源的结构示意图。
参见图1，在本发明实施例中，基于光偏转调制的集成光源包括待集成芯片3、调制片2以及激光芯片1；所述待集成芯片3与所述激光芯片1相对设置，所述激光芯片1的出光口指向所述待集成芯片3，所述调制片2位于所述待集成芯片3与所述激光芯片1之间；所述激光芯片1的激光口表面设置有用于对所述激光芯片1发出激光进行整形的微透镜4，所述调制片2表面设置有超结构5，所述超结构5至少用于将透过所述调制片2出射的激光的出射角偏转至预设角度；所述待集成芯片3表面设置有耦合光栅7，用于将透过所述调制片2出射的激光耦合进所述待集成芯片3。
上述激光芯片1为用户产生并向外发射激光的芯片，该激光芯片1可以通过出光口向外发射激光。具体的，在本发明实施例中通常使用垂直腔面发射激光器(VCSEL)作为激光芯片1，即所述激光芯片1为垂直腔面发射激光器。有关垂直腔面发射激光器的具体结构可以参考现有技术，垂直腔面发射激光器可以沿厚度方向实现面发射激光。
上述激光芯片1的激光口表面设置有微透镜4，该微透镜4用于对所述激光芯片1发出激光进行整形。具体的，该微透镜4至少需要覆盖部分出光口，通常需要覆盖整个出光口，从而使得微透镜4可以对激光芯片1从出光口射出的光线进行调制。具体的，上述微透镜4需要具体为凸微透镜或凹微透镜，使得该微透镜4可以对从出光口射出的光线进行整形。通常情况下，该微透镜4需要对激光进行收束，从而使得出射光斑聚焦的更小，发散角更小，使得最终耦合的能量更多。因此，在本发明实施例中所述微透镜4通常为凸透镜。
具体的，在本发明实施例中通过调节微透镜4参数，可以形成各种焦距的微透镜4，能够将激光芯片1出射光斑聚焦的更小，发散角更小，从而使得耦合到调制片2上的能量更多，耦合效率更高。有关微透镜4具体的制备工艺将在下述发明实施例中做详细介绍，在此不再进行赘述。
上述调制片2表面设置有超结构5，以将调制片2的表面设置为超表面，上述超结构5通常为非金属材质天线阵。上述激光经过微透镜4的整形之后会首先照射至调制片2表面的超结构5，该超结构5至少用于将透过所述调制片2出射的激光的出射角偏转至预设角度。即若激光垂直照射至调制片2，上述超结构5可以将激光的传播方向进行偏转，将原本垂直出射的角度偏转至非垂直的预设角度，从而使得激光可以沿该预设角度倾斜照射至耦合光栅7。有关调制片2以及超结构5的具体内容将在下述发明实施例中做详细介绍，在此不再进行赘述。
上述待集成芯片3位于调制片2背向激光芯片1一侧，从而形成待集成芯片3与激光芯片1相对设置，调制片2位于待集成芯片3与激光芯片1之间的类三明治型结构。通常情况下待集成芯片3朝向调制片2一侧表面设置有耦合光栅7，该耦合光栅7用于将从调制片2透射出的激光耦合进待集成芯片3。有关待集成芯片3的具体结构可以根据实际情况自行设定，在此不做具体限定。需要说明的是，由于上述调制片2已经对激光的传播方向进行了调整，使得激光可以倾斜入射至耦合光栅7，因此在本发明实施例中耦合光栅7可以平整的设置在待集成芯片3表面，不用设置相应的斜面以降低制备工艺难度。
具体的在本发明实施例中所述耦合光栅7包括：位于所述待集成芯片3朝向所述激光芯片1一侧表面的全反射层71；位于所述全反射层71朝向所述激光芯片1一侧表面的波导层光栅72；所述波导层光栅72材质的折射率大于所述全反射层71的折射率。
上述波导层光栅72背向所述待集成芯片3一侧表面通常设置有光栅结构，而激光在耦合进波导层光栅72后，通常会沿波导层光栅72的延伸方向传播。上述全反射层71位于待集成芯片3朝向所述激光芯片1一侧表面，与上述波导层光栅72直接接触。该波导层光栅72材质的折射率需要大于全反射层71的折射率，从而形成全反射，实现激光可以沿波导层光栅72的延伸方向传播。通常情况下，上述全反射层71可以具体为氧化层，例如二氧化硅(SiO2)等，因为通常情况下相较于可以作为波导层的材质，如二氧化硅等氧化层的折射率通常会小于可以作为波导层材质的折射率，且氧化层的制备相对简单，制备成本相对较低。在本发明实施例中，上述波导层光栅72的材质通常为Si、Si3N4、GaN等高折射率的材质，其厚度通常在100nm-400nm，包括端点值。
在本发明实施例中，待集成芯片3、调制片2以及激光芯片1三者之间需要相互键合，从而形成稳定结构的集成光源。具体的，在本发明实施例中所述激光芯片1与所述调制片2之间可以通过键合柱6相互键合；所述激光芯片1与所述待集成芯片3之间可以通过键合柱6相互键合。
即在本发明实施例中，具体可以通过键合柱6将待集成芯片3、调制片2以及激光芯片1三者之间的位置相对固定的相互键合，具体可以在激光芯片1与调制片2之间设置一键合柱6相互键合，再在激光芯片1与待集成芯片3之间设置一键合柱6相互键合，从而实现待集成芯片3、调制片2以及激光芯片1三者之间相互键合。当然，在本发明实施例中也可以通过其他的结构将待集成芯片3、调制片2以及激光芯片1三者之间相互键合，通常需要保证待集成芯片3与调制片2之间，以及调制片2与激光芯片1之间具有预设宽度的间隙，以保证激光具有预设长度的传播路径。
具体的，在本发明实施例中，所述键合柱6的高度通常需要与所述微透镜4的焦距相互匹配，以便于微透镜4对光斑的形貌进行控制。通常情况下，在本发明实施例中上述键合柱6的高度的取值范围为20um至1000um，包括端点值。需要说明的是，通过键合柱6键合待集成芯片3、调制片2以及激光芯片1，可以方便的调节三者之间的距离，只需要调整键合柱6的高度即可。在键合过程中，通常只需要保证待集成芯片3、调制片2以及激光芯片1三者之间大体沿垂直方向设置即可，通过上述调制片2的设置可以有效增大键合时芯片对准的裕量。
本发明实施例所提供的一种基于光偏转调制的集成光源，包括待集成芯片3、调制片2以及激光芯片1；待集成芯片3与激光芯片1相对设置，激光芯片1的出光口指向待集成芯片3，调制片2位于待集成芯片3与激光芯片1之间；激光芯片1的激光口表面设置有用于对激光芯片1发出激光进行整形的微透镜4，调制片2表面设置有超结构5，超结构5至少用于将透过调制片2出射的激光的出射角偏转至预设角度；待集成芯片3表面设置有耦合光栅7，用于将透过调制片2出射的激光耦合进待集成芯片3。
先通过微透镜4对激光进行整形，再通过调制片2将激光的传播角度整体偏转至预设角度，倾斜直至照射至耦合光栅7，可以保证耦合光栅7具有较高的耦合效率，同时待集成芯片3、调制片2以及激光芯片1可以沿垂直方向键合，简化对准封装过程，降低制作成本。
有关本发明所提供的一种基于光偏转调制的集成光源的具体结构将在下述发明实施例中做详细介绍。
请参考图2至图7，图2至图3为本发明实施例所提供的一种具体的调制片的结构示意图；图4为线偏振光入射调制片的透射电场图；图5为图4对应的角度偏转图；图6为圆偏振光45°斜入射调制片的透射电场图；图7为图6对应的角度偏转图。
区别于上述发明实施例，本发明实施例是在上述发明实施例的基础上，进一步的对调制片2的结构进行具体限定。其余内容已在上述发明实施例中做详细介绍，在此不再进行赘述。
参见图2以及图3，在本发明实施例中，上述调制片具体为一种高透过率三层全介电结构的双功能超表面偏振片，即调制片相对的两侧表面均设置有超结构5，即调制结构，从而形成超表面。通过调制片两侧表面的超结构5，即调制结构可以改变X和Y两方向偏振光的透射相位，使X和Y两方向偏振光具有相同的相位梯度来实现光的偏转和调制。
即在本发明实施例中，位于调制片两侧的超结构5能够同时产生入射x-LP光和y-LP光两种不同的透射相位，即产生入射的x线偏振光和y线偏振光各自对应的透射相位。即调制片2本质上两侧的表面结构都是调节激光相位的。具体的，当激光芯片所发出的激光透过两层超结构5时，具体会使得X和Y两方向偏振光具有相同的相位梯度，从而实现激光的偏转和调制。需要说明的是，在本发明实施例中所述调制片2与所述超结构5的材料均为非金属材料。即在本发明实施例中，调制片2中不设置有金属结构，其不含有金属材料，整体均由非金属的介质材料制备而成。由于上述激光芯片1以及待集成芯片3通常均由半导体材料等非金属的介质材料制备而成，使用非金属材料制备调制片2以及超结构5，可以便于整个基于光偏转调制的集成光源的制备以及集成，降低制作成本。
还需要强调的是，目前高耦合效率的垂直耦合技术主要基于一维光栅耦合器，但是一维光栅耦合器几乎都是偏振相关的，只能耦合特定的偏振态，对其它偏振态会产生较大的偏振相关损耗(PDL)。本发明实施例具体使用一维光栅耦合器作为耦合光栅，通过上述调制片对激光偏振状态的调制可以使得最终从调制片出射的激光的偏振态与一维光栅耦合器相互匹配，使得本发明实施例中经过偏振调制后的特定偏振激光再经过相应设计的耦合光栅，实现更高效的耦合效率。即在本发明实施例中通过调制片以及耦合光栅对匹配激光的偏振状态进行设计，可以进一步提高耦合效率。
在实际情况中，假设激光芯片1为VCSEL芯片，其发射激光波长为1550nm，一般VCSEL芯片出射的激光为椭圆偏振光或圆偏振光，通过调节其驱动电流可以实现将其椭圆偏振光变为圆偏振光。假设调制片2本体材质为SiO2，其表面形成第一超结构以及第二超结构的凸起材质为硅(Si)，该调制片2透过率大于83％。通过有限时域差分方法(FDTD)模拟上述第一超结构以及第二超结构，使得其第一超结构相当于1/4波片，实现圆偏振光转变为线偏振光，而第一超结构与第二超结构相互配合可以实现角度偏转，此时对应图2以及图3中结构各个参数为：t＝300nm、p＝700nm、h＝750nm、a＝281nm、b＝354nm。此时参见图4至图7，结合图4以及图5可以看出，圆偏振光入射超表面5时，产生的线偏振光透射后的传播方向被偏转了一个角度15.8°；结合图6以及图7可以看出，线偏振光45°入射到设计的超表面后，透射的圆偏振光角度同样偏振了15.8°。即圆偏振光入射上述结构的调制片2，以及线偏振光45°斜入射申述结构的调制片2，其偏转角度均为15.8°。当然，在本发明实施例中可以调整调制片2及其超结构的具体参数，以满足不同的需求，在此不做具体限定。
本发明实施例所提供的一种基于光偏转调制的集成光源，通过调节微透镜4参数，形成各种焦距的微透镜4，能够将VCSEL光斑聚焦的更小，发散角更小，耦合到调制片2上的能量更多，耦合效率更高。并通过具体的调制片2工艺调节光束偏转角度和偏振特性，降低了耦合光栅7的制作难度，增大了键合时芯片对准的裕量。
下面对本发明实施例所提供的一种基于光偏转调制的集成光源的制备方法进行介绍，下文描述的制备方法与上文描述的基于光偏转调制的集成光源可相互对应参照。
请参考图8，图8为本发明实施例所提供的一种基于光偏转调制的集成光源的制备方法的流程图。
参见图8，一种基于光偏转调制的集成光源的制备方法可以包括：
S101：在激光芯片的出光口表面设置微透镜。
在本发明实施例中，所述微透镜4用于对所述激光芯片1发出激光进行整形。有关激光芯片1以及微透镜4的具体结构已在上述发明实施例中做详细介绍，在此不再进行赘述。
在本步骤之前，通常需要先对激光外延片进行清洗干燥。具体的，在清洗干燥时，具体可以包括：将完成所有芯片工艺带有对准标记而未解理的VCSEL外延片依次在丙酮溶液中利用20KHz至90KHz超声波清洗5min，在异丙醇溶液中利用20-90KHz超声波清洗5min，再在去离子水中利用20-90KHz超声波清洗10min，以此重复3次；然后，采用高纯氮气吹干。在本发明实施例中VCSEL芯片的发光波长通常在600nm至1600nm，包括端点值。
本步骤具体制作微透镜4的步骤可以包括：
S1011：在所述激光芯片的出光口表面旋涂溶胶凝胶层。
在本步骤中，具体可以在激光芯片1的出光口表面旋涂sol-gel材料，从而形成溶胶凝胶层。此时，溶胶凝胶层具有一定的流动性，可以对其形状进行塑造。具体的，本步骤形成膜的厚度取决于旋涂的转数和溶胶的浓度。之后会将载有上述膜的基片放在烘箱中前烘，除去膜层中的溶剂。在本步骤中需要根据设计的微透镜4参数旋涂合适厚度的感光Sol-gel材料。
S1012：在所述溶胶凝胶层压紧一模板，使所述溶胶凝胶层溢进所述模板朝向所述溶胶凝胶层设置的微透镜凹槽。
在本发明实施例中，微透镜凹槽的形状对应微透镜4。在本发明实施例中可以预先制作一模板，该模板中凹槽的形状具体对应上述微透镜4。在本步骤中，会将模板扣至溶胶凝胶层并压紧，从而使得溶胶凝胶层溢进微透镜凹槽，该微透镜凹槽需要在模板朝向溶胶凝胶层设置。上述模板具体可以为由PDMS(聚二甲基硅氧烷)制成的模板。有关模板的具体材质可以根据实际情况自行设置，在此不做具体限定。
S1013：在压紧所述模板之后，固化所述溶胶凝胶层，以形成所述微透镜。
在本步骤中，会对压紧有模板的溶胶凝胶层进行固化，从而形成可用的微透镜4。具体的，在本发明实施例中上述溶胶凝胶层为溶胶凝胶感光层，即该溶胶凝胶层所使用的材料具体可以为sol-gel感光材料，该sol-gel感光材料可以经过曝光而固化。在本发明实施例中，sol-gel感光材料，即上述溶胶凝胶感光层的材料具体可以为HfO2与SiO2两种无机组分的光敏性混合溶胶，且其配比可调。典型的混合溶胶中采用Si∶Hf＝3∶1的摩尔比例进行混合，在室温环境中强力搅拌10小时。再将光敏剂以5wt％的比例加入到溶胶中，得到紫外线感光性能良好的HfO2/SiO2溶胶材料。
此时，本步骤可以具体为：在压紧所述模板之后，对所述溶胶凝胶感光层进行曝光，以将所述溶胶凝胶感光层转换为玻璃态；在对所述溶胶凝胶感光层进行曝光后剥离所述模板，以形成所述微透镜4。在本步骤中通常使用紫外曝光机对压紧模板的溶胶凝胶感光层进行曝光，此时溶胶凝胶感光层发生聚合反应成为玻璃态，其曝光时间通常为10min至60min，包括端点值。
再之后，需要将模板剥离，从而得到微透镜4。该微透镜4的焦距通常在20μm至1000um，包括端点值，且该微透镜4通常需要完全覆盖激光芯片1的发光孔。
需要说明的是，在本步骤中当具体是在未经过解离的激光外延片表面设置上述微透镜4之后，在本步骤可以再对激光外延片按照芯片的解理标记进行解离，从而可以使得解离出的单个激光芯片1的出光口表面均设置有对应的微透镜4。
具体的，在本步骤中解理的VCSEL芯片通常需要包括微透镜4、键合柱区域、对准标记等，其中键合柱区域用于设置键合柱6，是先键合；而对准标记用于在键合时，实现待集成芯片3、调制片2以及激光芯片1三者的对准。
S102：在调制片表面设置超结构。
在本发明实施例中，所述超结构至少用于将透过所述调制片2出射的激光的出射角偏转至预设角度；有关调制片2以及超结构的具体内容已在上述发明实施例中做详细介绍，在此不再进行赘述。
在本步骤中，首先需要选取能够透射上述激光芯片1发射激光的调制片衬底，完成多层或单层调制片衬底的制备。之后，会在上述调制片衬底表面进行超结构的制作，得到具有超结构的调制片2。通常情况下，本步骤通常具体为：在非金属材料的调制片表面设置非金属材料的超结构。即在本发明实施例中，调制片2中不设置有金属结构，其不含有金属材料，整体均由非金属的介质材料制备而成。由于上述激光芯片1以及待集成芯片3通常均由半导体材料等非金属的介质材料制备而成，使用非金属材料制备调制片2以及超结构，可以便于整个基于光偏转调制的集成光源的制备以及集成，降低制作成本。
具体的，本步骤可以进一步具体包括：
S1021：在所述调制片朝向所述激光芯片一侧表面设置第一超结构。
在本步骤中仅将调制片2中设置有第一超结构的一侧表面称为正面，相应的会将设置有第二超结构的一侧表面称为背面。具体的，本步骤制备的超结构可以为方形或圆形，方形长宽通常在100nm至1600nm，包括端点值；圆形直径通常在100nm至1600nm，包括端点值；上述超结构的图形高度通常在100nm至1600nm，包括端点值。
S1022：对所述调制片背面进行减薄抛光，得到薄衬底的调制片。
即在本步骤中，通过对调制片2背面进行减薄抛光，可以调整调制片2的厚度。通常情况下，减薄后调制片2厚度通常不大于100μm。
S1023：对减薄后的调制片的背面进行透射区域光刻图形定义及刻蚀，得到具有背面透射区域的调制片。
有关投射区域的具体刻蚀工艺可以参考现有技术，在此不再进行赘述。
S1024：在所述调制片朝向所述待集成芯片一侧表面设置第二超结构。
在本发明实施例中，第一超结构与第二超结构共同用于调整x方向的线偏振光和y方向的线偏振光的透射相位使具有相同的相位梯度。在本步骤中，具体会在所述透射区域设置第二超结构，得到调制片2。具体的，本步骤制备的超结构可以为方形或圆形，方形长宽通常在100nm至1600nm，包括端点值；圆形直径通常在100nm至1600nm，包括端点值；上述超结构的图形高度通常在100nm至1600nm，包括端点值。相应的，上述调制片2表面通常还会具有非透射区，即未设置有超结构的区域；相应的该调制片2表面会设置有键合柱区域、对准标记等，便于实现键合时具体的对位功能。
S103：在待集成芯片表面设置耦合光栅。
在本发明实施例中，所述耦合光栅7用于将透过所述调制片2出射的激光耦合进所述待集成芯片3。有关待集成芯片3以及耦合光栅7的具体结构已在上述发明实施例中做详细介绍，在此不再进行赘述。具体的，上述待集成芯片3的衬底不限于硅、SOI、GaN、GaAs、ZnO、玻璃、陶瓷等材料。
本步骤具体制作耦合光栅7的步骤可以包括：
S1031：在待集成芯片表面设置全反射层。
上述全反射层71具体可以为二氧化硅层，相应的本步骤具体可以为：需要待集成芯片3表面沉积二氧化硅层，通常采用化学气相沉积(CVD)方法沉积二氧化硅层，形成全反射层71。该二氧化硅层的厚度通常在1μm至10μm，包括端点值；同时，在本步骤中通常需要在全反射层71，即二氧化硅层表面刻蚀出，通常是光刻出对准区域图形。
S1032：在全反射层表面设置波导层。
在本步骤中，具体可以在全反射层71表面沉积高折射率波导层Si、Si3N4或GaN，形成波导层。该波导层的厚度通常在100nm至400nm，包括端点值。
S1033：在波导层表面进行光栅的制作，得到耦合光栅。
在本步骤中，具体可以先通过电子束光刻工艺，将预先设计好的光栅图形刻蚀在波导层表面，之后采用干法刻蚀的工艺加深刻蚀深度，形成最终的光栅结构，即耦合光栅7。通常情况下，上述工艺的最终刻蚀深度不超过波导层厚度。具体的，上述耦合光栅7的光栅周期通常在400nm至600nm，包括端点值；其占空比通常在0.3至0.6，包括端点值；该耦合光栅7的光栅宽度通常在5μm至100μm，包括端点值；其刻蚀深度通常在50nm至400nm，包括端点值。
需要说明的是，上述S101至S103分别制备待集成芯片3、调制片2以及激光芯片1的步骤之间没有具体的先后顺序，可以按照任意顺序执行或并行执行均可。而制作待集成芯片3、调制片2以及激光芯片1本身的步骤通常需要按照上述顺序执行。
S104：将待集成芯片与激光芯片相对设置，将调制片设置于待集成芯片与激光芯片之间，将待集成芯片、激光芯片与调制片键合，以制成所述集成光源。
需要强调的是，在本步骤键合过程中，仅需要上述待集成芯片3、激光芯片1与调制片2三者在垂直方向对齐进行键合即可，对其对准要求较低，便于对准的执行。
具体的，本步骤可以具体包括：通过键合柱6将所述激光芯片1的出光口朝向所述调制片2相互键合，并通过键合柱6将所述待集成芯片3键合于所述调制片2背向所述激光芯片1一侧，以制成所述集成光源，得到高效率易对准的集成光源。
即在本步骤中，具体可以通过键合柱工艺将上述待集成芯片3、激光芯片1与调制片2三者在垂直方向对齐进行键合，通过键合柱6保留三者之间预留的光线传播的间隙。
本发明实施例所提供的一种基于光偏转调制的集成光源的制备方法，所制备而成的集成光源先通过微透镜4对激光进行整形，再通过调制片2将激光的传播角度整体偏转至预设角度，倾斜直至照射至耦合光栅7，可以保证耦合光栅7具有较高的耦合效率，同时待集成芯片3、调制片2以及激光芯片1可以沿垂直方向键合，简化对准封装过程和对准精度，降低制作成本。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上对本发明所提供的一种基于光偏转调制的集成光源以及一种基于光偏转调制的集成光源的制备方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于光偏转调制的集成光源，其特征在于，包括待集成芯片、调制片以及激光芯片；
所述待集成芯片与所述激光芯片相对设置，所述激光芯片的出光口指向所述待集成芯片，所述调制片位于所述待集成芯片与所述激光芯片之间；
所述激光芯片的激光口表面设置有用于对所述激光芯片发出激光进行整形的微透镜，所述调制片表面设置有超结构，所述超结构至少用于将透过所述调制片出射的激光的出射角偏转至预设角度；
所述待集成芯片表面设置有耦合光栅，用于将透过所述调制片出射的激光耦合进所述待集成芯片。
2.根据权利要求1所述的基于光偏转调制的集成光源，其特征在于，所述调制片与所述超结构的材料均为非金属材料。
3.根据权利要求2所述的基于光偏转调制的集成光源，其特征在于，所述微透镜为凸透镜。
4.根据权利要求1所述的基于光偏转调制的集成光源，其特征在于，所述耦合光栅包括：
位于所述待集成芯片朝向所述激光芯片一侧表面的全反射层；
位于所述全反射层朝向所述激光芯片一侧表面的波导层光栅；所述波导层光栅材质的折射率大于所述全反射层的折射率。
5.根据权利要求1所述的基于光偏转调制的集成光源，其特征在于，所述激光芯片与所述调制片之间通过键合柱相互键合；所述激光芯片与所述待集成芯片之间通过键合柱相互键合。
6.根据权利要求5所述的基于光偏转调制的集成光源，其特征在于，所述键合柱的高度与所述微透镜的焦距相互匹配。
7.根据权利要求1所述的基于光偏转调制的集成光源，其特征在于，所述激光芯片为垂直腔面发射激光器。
8.一种基于光偏转调制的集成光源的制备方法，其特征在于，包括：
在激光芯片的出光口表面设置微透镜；所述微透镜用于对所述激光芯片发出激光进行整形；
在调制片表面设置超结构；所述超结构至少用于将透过所述调制片出射的激光的出射角偏转至预设角度；
在待集成芯片表面设置耦合光栅；所述耦合光栅用于将透过所述调制片出射的激光耦合进所述待集成芯片；
将所述待集成芯片与所述激光芯片相对设置，将所述调制片设置于所述待集成芯片与所述激光芯片之间，将所述待集成芯片、所述激光芯片与所述调制片键合，以制成所述集成光源。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述将所述待集成芯片与所述激光芯片相对设置，将所述调制片设置于所述待集成芯片与所述激光芯片之间，将所述待集成芯片、所述激光芯片与所述调制片键合，以制成所述集成光源包括：
通过键合柱将所述激光芯片的出光口朝向所述调制片相互键合，并通过键合柱将所述待集成芯片键合于所述调制片背向所述激光芯片一侧，以制成所述集成光源。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述在调制片表面设置超结构包括：
在非金属材料的调制片表面设置非金属材料的超结构。
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