CN210894785U - 一种激光器芯片与光芯片的混合集成的结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及光通信领域，具体涉及一种激光器芯片与光芯片的混合集成的结构，其中包括激光器芯片、光子耦合线、光芯片、基板，光芯片上集成有调制器和接收器；激光器芯片和光芯片固定在基板上，激光器芯片出光口和光芯片第一进光口相对，且激光器芯片出光口和光芯片第一进光口间有间隙，激光器芯片出光口和光芯片第一进光口的一侧由光子耦合线连接，调制器出光口和光芯片出光口相连，光芯片第二进光口和光芯片接收器光进口相连；还包括分光器，光芯片第一进光口的另一侧和分光器进光口相连，分光器第一出光口和调制器进光口相连，分光器第二出光口和接收器进光口相连。本实用新型提供的混合集成的结构便于加工，且可实现相干解调功能。

Description

一种激光器芯片与光芯片的混合集成的结构

【技术领域】

本实用新型涉及光通信领域，特别是涉及一种激光器芯片与光芯片的混合集成的结构。

【背景技术】

随着高密度，高速率，小型化的发展，光电芯片的混合集成早已成为发展的趋势。光通信系统中，光源是不可缺少的部分。激光器与光芯片的混合集成更是通信发展中关键的技术。

为了解决激光器芯片膜斑小，发散角大的问题，目前激光器芯片与光芯片的混合集成的常见方法有：在激光器芯片出光口处添加透镜、激光器芯片直接键合到其他光芯片表面和单片集成，这些方式存在集成难度高、装配精度要求高、成本高或使用材料限制等问题。另一方面，某些应用场景中，激光器芯片和光芯片的混合集成需要能够实现相干解调，目前的混合集成方式需要附加额外的功能部件才能实现相干解调的功能。

鉴于此，如何克服该现有技术所存在问题，是本技术领域亟待解决的问题。

【实用新型内容】

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型解决了激光器芯片和光芯片混合集成时集成难度高、装配精度要求高、成本高、无法进行相干解调等问题。

本实用新型实施例采用如下技术方案:

本实用新型提供了一种激光器芯片与光芯片的混合集成的结构，其特征在于：包括激光器芯片100、光子耦合线300、光芯片400、基板500，光芯片400上集成有调制器600和接收器700；激光器芯片100和光芯片 400固定在基板500上，激光器芯片出光口101和光芯片第一进光口401 相对，且激光器芯片出光口101和光芯片第一进光口401间有间隙，激光器芯片出光口101和光芯片第一进光口401的一侧由光子耦合线300连接，调制器出光口601和光芯片调制器出光口402相连，接收器本征光进光口701和光芯片第二进光口403相连；结构还包括分光器800，光芯片第一进光口401的另一侧和分光器进光口801相连，分光器第一出光口 802和调制器进光口602相连，分光器第二出光口803和接收器进光口 701相连。

优选的，光子耦合线300上覆盖有涂覆保护层200，涂覆保护层200 包裹住光子耦合线300、激光器芯片出光口101和光芯片第一进光口 401，涂覆保护层200涂覆材料折射率低于光子耦合线300。

优选的，激光器芯片100和光芯片400的粘接固定在基板500上，粘接使用的材料不溶于涂覆保护层200的涂覆材料。

优选的，若存在多个激光器芯片100，每个激光器芯片100的激光器芯片出光口101和光芯片第一进光口401间由一条光子耦合线300连接。

优选的，激光器芯片出光口101和光芯片第一进光口401的间隙小于等于300um，且大于等于50um。

优选的，包括多个基板500的组合，以便于使激光器芯片出光口101 和光芯片第一进光口401处于同一高度。

优选的，激光器芯片出光口101和光芯片第一进光口401的高度差小于等于100um。

优选的，激光器芯片出光口101和光芯片第一进光口401的最大水平偏差小于等于100um。

优选的，光子耦合线300的材料具体为光子耦合材料制成的半柔性线状波导。

优选的，光芯片400为硅光收发集成芯片。

与现有技术相比，本实用新型实施例的有益效果在于：使用光子耦合线连接激光器芯片和光芯片，减小加工难度、降低结构复杂度和成本。在光芯片上集成调制器和接收器，并进行相应的光路连接，实现相干解调功能。

本实用新型提供的激光器芯片与光芯片的混合集成的结构，还通过使用涂覆结构，通过对基板结构的调整降低了加工难度。

【附图说明】

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对本实用新型实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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是本实用新型实施例提供的一种激光器芯片与光芯片的混合集成的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的另一种激光器芯片与光芯片的混合集成的结构示意图；

图3是本实用新型实施例提供的另一种激光器芯片与光芯片的混合集成的结构示意图；

图4是本实用新型实施例提供的另一种激光器芯片与光芯片的混合集成的结构示意图；

图5是使用本实用新型实施例提供的激光器芯片与光芯片的混合集成结构的光信号收发系统结构示意图。

【具体实施方式】

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型是一种特定功能系统的体系结构，因此在具体实施例中主要说明各结构模组的功能逻辑关系，并不对具体软件和硬件实施方式做限定。

此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面就参考附图和实施例结合来详细说明本实用新型。

在光通信系统中，作为光源的激光器芯片和作为信号调制解调设备的光芯片需互相耦合完成信号收发，为了提高光通信设备的集成度，激光器芯片与光芯片的混合集成是通信发展中的关键技术。

另一方面，光通信中的某些场景中，会使用相干调制技术提高解调效果，提高光源的使用效率，因此激光器芯片与光芯片混合集成的结构需能够进行相干解调。

实施例1：

本实施例提供的激光器芯片与光芯片的混合集成的结构中，采用光耦合线对激光器芯片的出光口和光芯片的第一进光口进行耦合，避免了使用透镜耦合的复杂结构，也避免了将激光器芯片直接集成在光芯片上的造成的过高技术难度和过高成本。

下面结合图1说明本实用新型激光器芯片与光芯片的混合集成的结构的具体结构：

本实施例提供的混合集成结构包括：激光器芯片100、光子耦合线300、光芯片400、基板500。其中，光芯片400上还集成有调制器600和接收器 700。

基板500位于本实施例提供的混合集成结构的最下方，其它光器件都集成在基板500。

光子耦合线300是一种半柔性的线性波导，可将一端口进入的光低损耗的传输到另一端口，实现光路耦合。

激光器芯片100为光通信的光源，光芯片400为光信号的调制解调设备，激光器芯片100发出的光信号需耦合入光芯片400的光路中，即激光器芯片出光口101出射光路和光芯片第一进光口401的入射光路需位于同一水平面内的同一直线上，以实现光的传输。因此，激光器100和光信号 400混合集成时，激光器芯片出光口101和光芯片第一进光口401需相对设置。为了使激光器芯片100发出的光信号准确传输且不损失功率，激光器芯片100的出射光路和光芯片400的本征光入射光路必须精确匹配。但是，在实际生产过程中，精确耦合光路加工难度较高，激光器芯片出光口101出射光路和光芯片第一进光口401的水平位置或高度有误差，或相对角度有误差，都会使光路无法精确耦合。激光器芯片100自激光器芯片出光口101 发出出射光，光芯片400通过光芯片第一进光口401接收出射光信号信号，本实施例中，使用光子耦合线300连接激光器芯片出光口101和光芯片第一进光口401，可以使激光器芯片100的出射光通过光子耦合线300耦合入光芯片400的光芯片进入光芯片第一进光口401，避免因激光器芯片出光口 101和光芯片第一进光口401位置对应不准确造成的光路耦合不准，减小了混合集成的加工难度、调试难度和成本。具体的，在使用光子耦合线连接耦合的情况下，激光器芯片和光芯片相对位置的最大可接受贴装公差为100um。同时，使用光子耦合线对光路进行耦合，相对于通过透镜等耦合方式，也可降低光路损耗，使激光器芯片出射的光功率低损耗的耦合进光芯片中。

通常，光通信结构中还包含用户调制光信号的调制器600和用于接收光信号的接收器700，调制器600和接收器700可以独立设置，也可以集成在光芯片400上。现有的混合集成结构中，激光器芯片100的出射光一般只接入调制器600中作为输出光信号。本实施例中，为了实现光信号的相干调制，激光器芯片100的出射光经分光器800后，分为两路相同频率相同相位的光信号，一路通过分光器第一出光口802输出，再输入至调制器进光口602，经调制器600调制后，经调制器出光口601输出至光芯片出光口402，作为光芯片输出光信号；另一路通过分光器第二光出口803输出，作为接收器700的本征光，输入至接收器进光口701。由通信线路对侧传输来的信号光输入光芯片第二进光口403，本征光和信号光在接收器700内进行相干调制。本实施例提供的混合集成结构，通过增加分光器，以及各部件间简单的连接关系，即可实现光信号的相干调制。

进一步的，为了保证输出光信号的功率足够，分光后的两路光信号功率不同，输出光信号的功率大于相干载波的强度，且调制器损耗大于接收器。本实施例的某些使用场景中，激光器的光进入光芯片，经分光器800分光后，调制器的进光与接收器本征光的分光比为7:3。

在本实施例的某些具体应用场景中，如图2所示，针对使用环境和器件的具体尺寸等不同情况，可以根据需要实际要求选择合适的结构变化。本实施例中简单列举几种附加结构和变化方式：

在本实施例的某些使用场景中，对防水防尘要求较高。该场景中，混合集成结构还可以包括涂覆保护层200。如图3所示，涂覆保护层200覆盖在光子耦合线300上，同时也覆盖激光器芯片101和光芯片第一进光口401，将激光器芯片100和光芯片400间的光路都包裹在内。使用涂覆保护层，可以有效防水防尘，降低设备整体的气密性要求。同时，涂覆保护层使用的涂覆材料折射率低于光子耦合线，通过折射率进一步限制光信号的散射，降低功率损耗。涂覆保护层材料使用有一定粘性且固化后呈半固体的材料，有一定的形状但不会对光路产生明显的应力作用，避免使光路产生形变导致光路不准。

在本实施例的某些使用场景中，由于激光器芯片100和光芯片400尺寸厚度不同，仅使用一个平面基板的情况下，无法使激光器芯片出光口101 和光芯片第一进光口401处于同一水平高度。如图2所示，激光器芯片100 厚度小于光芯片400，若直接置于基板的同一平面上，激光器芯片出光口101 高度低于光芯片第一进光口401，导致光路无法耦合。本实施例中使用两块基板501和502，将基板501置于基板502上，激光器芯片100置于基板 501上，光芯片400置于基板502上，通过基板501补偿激光器芯片100和光芯片400的高度差，以简单结构实现两芯片间光路耦合。进一步的，在某些实时场景中，多个基板可使用一个阶梯基板实现，不同芯片设置在阶梯基板的不同阶上。

在本实施例的某些使用场景中，为了使加工工艺更简单，激光器芯片 100和光芯片400采取粘接方式固定在基板500上。若本场景中使用了涂覆保护层200，粘接材料需不溶于涂覆材料，避免粘接材料溶解造成的粘接不牢，导致器件位移甚至掉落，造成光路偏差或出错。

在本实施例的某些使用场景中，为了提供多种不同光源类型，本实施例的混合集成结构中可能会存在多个激光器芯片100作为光源，所有激光器芯片100的出射光都需要和光芯片400的入射光路耦合。为了实现多条不同光路的耦合，如图4所示，在每一个激光器芯片的激光器芯片出光口101 和光芯片第一进光口401间都使用一条光子耦合线300进行连接，使得每个激光器芯片100的出射光都被耦合进光芯片400的入射光路中。

以上具体实施方式都可单独或同时用于本实施例提供的混合集成结构，以获得更好的防水防尘性、更简单的加工结构或工艺、更稳定的光路等效果。

本实施例提供的激光器芯片与光芯片的混合集成的结构，各光学器件可根据需要选择合适的型号或种类，以下列举本实施例提供的混合集成结构可用的材料或光学器件型号。

1)激光器芯片根据所需光源类型，可以是端面出光模式，也可以是表面出光模式，可以是单个激光器芯片，也可以是多个激光器芯片或者阵列激光器。

2)光子耦合线可使用能形成光子晶体波导的有机的光敏液体，如聚甲基丙烯酸甲酯，经光照固化后形成半柔性线性波导。使用沉积工艺加工光子耦合线，可避免因激光器芯片和光芯片贴装位置偏差导致的光路耦合不准确。同时，半柔性光子耦合线也可以抵抗芯片之间的微变形，使光路具有更高的可靠性。

3)光芯片可以是有源光芯片，也可以是无源光芯片。可以是单功能芯片，也可以是多功能集成芯片。具体的可使用硅光集成芯片，以实现低成本、高集成、小尺寸的优势。本实施例使用光子耦合线对激光器芯片和硅光芯片进行光路耦合，也避免了硅光芯片由于尺寸较小而难以进行耦合的问题。为了在混合集成结构中集成更多功能，同时便于实现相干调制，可以选用集成了调制器和接收器的硅光收发集成芯片。

4)光芯片出光端口与外部光路连接可使用光子耦合线。本实例中的可调激光器与硅光收发集成芯片的混合集成结构可用于相干传输的200G， 400G的IC-TROSA中，结构中的光芯片另外两光口分别与外部光路连接，外部光路可以是裸光纤，也可以是FA。同样也可以使用光子耦合线连接光芯片和外部光路，可缩减封装体积，简化封装难度。

以上材料或型号选择，可使本实施例所提供的混合集成结构实现更好的光学效果和通信效果，进而使整个设备通过简单结构实现高效、准确的光信号收发。

本实施例提供的激光器芯片与光芯片的混合集成的结构，为了获得更好的光学效果，经光学计算及实际测试，各光学器件装配精度应满足一定要求：

1)激光器芯片出光口101和光芯片第一进光口401的间隙小于 300um，且大于50um。

2)激光器芯片出光口101和光芯片第一进光口401的高度差小于 100um。

3)激光器芯片出光口101和光芯片第一进光口401的最大水平偏差小于100um。

上述精度范围在降低加工难度的同时能够保证混合集成后的光学效果，光学器件的装配精度若不符合应满足的精度范围，则可能造成光路偏差过大，无法使用光子耦合线进行耦合，或耦合后光学效果不佳。

本实施例提供的激光器芯片与光芯片的混合集成的结构，通过各器件的位置配合、连接关系实现了激光器芯片和光芯片的光路耦合和光信号的相干调制，实现了一种结构简单、加工精度要求较低、通信效果好的激光器芯片与光芯片混合集成方式。

实施例2：

在实施例1的实际使用场景中，实施例1所提供的激光器芯片与光芯片的混合集成的结构一般两两一组配合使用，每组中的两个混合集成结构互为对方的发送端和接收端。

在本实施例的某些使用场景中，如图5所示，是两个实施例1所提供的混合集成结构组成的光信号收发系统。

以A端为信号发送端，B端为信号接收端为例：

激光器芯片A的出射光L1经分光器A分为波长、频率、相位都相同的两束光L2和L3，L2进入调制器A成为输出信号L4，L3进入接收器成为相干载波。

L4由调制器A出光口进入外部光路，经光纤传输后进入光芯片B上的接收器B信号光接口。

以B端为信号接收端，A端为信号接收端时，光路对称。B端发出的光信号L5经光纤传输后进入接收器A的信号光接口。

在以上光信号收发系统中，对于A端，激光器芯片A的出射光其中一部分L3和B端发出的光信号L5共同进入接收器A的信号光接口，实现相干解调。

实施例1中提供的激光器芯片与光芯片的混合集成的结构，可通过结构和连接关系实现光信号的调制发送及相干解调，以简单结构完成光信号的收发功能。

Claims (10)

1.一种激光器芯片与光芯片的混合集成的结构，其特征在于：

包括激光器芯片(100)、光子耦合线(300)、光芯片(400)、基板(500)，所述光芯片(400)上集成有调制器(600)和接收器(700)；

所述激光器芯片(100)和光芯片(400)固定在基板(500)上，激光器芯片出光口(101)和光芯片第一进光口(401)相对，且激光器芯片出光口(101)和光芯片第一进光口(401)间有间隙，激光器芯片出光口(101)和光芯片第一进光口(401)的一侧由光子耦合线(300)连接，调制器出光口(601)和光芯片出光口(402)相连，接收器进光口(701)和光芯片第二进光口(403)相连；

所述结构还包括分光器(800)，光芯片第一进光口(401)的另一侧和分光器进光口(801)相连，分光器第一出光口(802)和调制器进光口(602)相连，分光器第二出光口(803)和接收器进光口(701)相连。

2.根据权利要求1所述激光器芯片与光芯片的混合集成的结构，其特征在于：所述光子耦合线(300)上覆盖有涂覆保护层(200)，所述涂覆保护层(200)包裹住光子耦合线(300)、激光器芯片出光口(101)和光芯片第一进光口(401)，所述涂覆保护层(200)涂覆材料折射率低于光子耦合线(300)。

3.根据权利要求2所述激光器芯片与光芯片的混合集成的结构，其特征在于：所述激光器芯片(100)和所述光芯片(400)的粘接固定在基板(500)上，粘接使用的材料不溶于所述涂覆保护层(200)的涂覆材料。

4.根据权利要求1所述激光器芯片与光芯片的混合集成的结构，其特征在于：若存在多个激光器芯片(100)，每个所述激光器芯片(100)的激光器芯片出光口(101)和光芯片第一进光口(401)间由一条光子耦合线(300) 连接。

5.根据权利要求4所述激光器芯片与光芯片的混合集成的结构，其特征在于：所述激光器芯片出光口(101)和光芯片第一进光口(401)的间隙小于等于300um，且大于等于50um。

6.根据权利要求4所述激光器芯片与光芯片的混合集成的结构，其特征在于：包括多个基板(500)的组合，以便于使激光器芯片出光口(101)和光芯片第一进光口(401)处于同一高度。

7.根据权利要求6所述激光器芯片与光芯片的混合集成的结构，其特征在于：所述激光器芯片出光口(101)和光芯片第一进光口(401)的高度差小于等于100um。

8.根据权利要求4所述激光器芯片与光芯片的混合集成的结构，其特征在于：所述激光器芯片出光口(101)和光芯片第一进光口(401)的最大水平偏差小于等于100um。

9.根据权利要求1所述激光器芯片与光芯片的混合集成的结构，其特征在于：所述光子耦合线(300)的材料具体为光子耦合材料制成的半柔性线状波导。

10.根据权利要求9所述激光器芯片与光芯片的混合集成的结构，其特征在于：所述光芯片(400)为硅光收发集成芯片。

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