[发明专利]片上光束调控结构及光耦合系统

说明书

本发明提供的片上光束调控结构，包括导光层，所述导光层包括第一区和第二区；所述第一区的折射率大于所述第二区的折射率；所述第二区与所述第一区的交界面包括第一反射面，所述第一反射面为光学自由曲面。能够将具有一定发散角度的光束进行调控，将所述光束会聚到特定位置，光束能量损耗小；同时利于实现光路结构尺寸的微型化，能够设置于集成光学芯片上，进一步提高了片上光学系统设计的自由度。本发明还提供的光耦合系统因具有本发明的片上光束调控结构而具有相应优势，实现晶圆级的片上端面耦合，对准容差高且耦合损耗低。

技术领域

本发明属于半导体器件技术领域，尤其涉及一种在芯片上集成用于光束调控的结构及相应的光耦合系统。

背景技术

集成光学芯片是在光通信、光计算机及光信息处理等新兴技术需求的基础上应运而生的，是具有一定独立功能的微型光学体系。集成光学芯片上的器件实现功能一般需要光束在片上传播。以硅基光学集成芯片(硅光芯片)为例，SOI硅光工艺本身具备一套相对完整的光学元器件系统，包括各类无源器件、电光调制器和光电探测器等。然而，由于硅材料属于间接半导体材料，材料本身难以制作成激光器元件，因此，一般采用外置的Ⅲ-Ⅳ族激光器来做光源，通过外延生长或耦合对准的方式实现光源的输入。在硅基材料上外延生长Ⅲ-Ⅳ族激光器的方式对工艺要求很高，实现难度很大。因此绝大部分厂家都采用的是完整的激光器芯片与硅光芯片耦合对准的方式实现激光器光源的耦合。其中，以硅光器件与光源耦合对准的结构为例，主要有两种，一种是端面耦合结构，一种是光栅耦合器结构。光栅耦合的优点是集成度高，但其带宽太窄，且往往对偏振敏感，无法满足所有的应用需求。端面耦合则能克服这些缺点，但其对准容差较低，一般需要高精度的对准设备。

可知光束的输入和在片上的传播对于集成光学芯片的功能实现至关重要，光束整形、准直、定向或调制等光束调控结构设计是集成光学芯片进一步发展中的关键技术。

以端面耦合为例来说，由于端面耦合器件与激光器模式尺寸的不匹配，端面耦合对于对准容差的要求极高，很难兼顾小的耦合损耗和大的耦合容差。现有技术激光器芯片与硅光芯片的端面耦合通过添加透镜来进行光束整形与准直，以此提高对准容差，而这种方法将增加整体封装的尺寸和成本，光束调控通过透镜，光路设计尺寸就难以微小化，当然也难以实现晶圆级的片上端面耦合。

因此目前十分需要研究一种片上光束调控结构，能够在芯片上进行制作，适用于片上集成，实现对片上光束输入和传播的整形、准直和定向的调控功能，以此进一步推动集成光学芯片技术的深入发展及广泛应用。

发明内容

本发明是为解决上述现有技术的全部或部分问题，本发明一方面提供了一种片上光束调控结构，适用于调控光束在集成光学芯片上的传播。本发明的另外一个方面提供了一种光耦合系统，具有本发明的片上光束调控结构，用于将光源与集成光学芯片光耦合。

本发明一方面提供的片上光束调控结构，包括导光层，用于传播光束；所述导光层包括第一区和第二区；所述第一区的折射率大于所述第二区的折射率；所述第二区与所述第一区的交界面包括第一反射面，所述第一反射面为光学自由曲面。光学自由曲面是一种无法用球面或非球面系数表示的曲面。例如不对称非球面，在两正交方向的非球面系数不同；还有参数向量表示的任意形状的自由曲面，包括贝塞尔曲面、非均匀有理B样条曲面等，并不限定。光学自由曲面能够有效提高光能利用率，更可以消除光学系统对照明方向的严格要求，光学设计自由度高。通过片上集成的所述第一区与第二区的交界面形成呈光学自由曲面的所述第一反射面，基于光学自由曲面能够将具有一定发散角度的所述光束进行整形、准直，光束传播的方向性更好；通过设置所述第一反射面与光束传播方向的相对位置，能够将偏移范围在一定区间的光束都会聚到预定目标，能够降低光束能量损耗；同时利于实现光路结构尺寸的微型化，突破了传统光学设计中依赖准直/聚焦透镜等光学零部件进行外部调控的限制。

一般情况中，所述第一区与所述第二区的交界面还包括第二反射面。通过所述第二反射面的设置可以更灵活的进行光路设计，更利于结构小型化和优化设计。