激光芯片光耦合结构及其制造方法

技术领域

本发明涉及激光器光耦合技术领域，具体涉及一种激光芯片光耦合结构及其制造方法。

背景技术

在光通信，激光雷达，激光测距等领域人们已经证明了硅光器件的良好性能，如光学相控阵芯片OPA(optical phase array)，通过多路分束可以在远场实现高准直性扫描，激光测距实现超小误差测量。但是硅光器件在远距离探测方向仍然面临挑战，其中主要的两个原因是：1.基模的工作模式限制了大功率激光器(大功率激光器常指平均功率在10W以上的激光发射器件)的使用，因为大功率单模激光器极易造成出光端口烧毁现象，降低出光光束质量；2.器件内部的设计引入较多的损耗，如OPA结构的多路分束器，分束器的几十甚至几百分路结构，容易引起器件尺寸及光束损耗的增加，因此对于所输入的光功率要求比较高。由于硅基光芯片单模工作状态的限制，目前的技术方案在输入光源的选择上面，也通常是单模的工作状态，这样就大大限制了输入光源的功率极大值。因此需要一种方案，以解决现有技术中大功率激光器使用受限的问题，提高输入光功率和光束质量。

发明内容

本发明提供一种激光芯片光耦合结构及其制造方法，以解决现有技术中大功率激光器使用受限的问题，提高输入光功率和光束质量。

本发明提供一种激光芯片光耦合结构，包括：顺次排列的光源区、波导区和输出区；光源区设置有多模多结激光器，多模多结激光器具有多个激光发射有源区；各激光发射有源区发射的激光的模相同或不同；波导区设置有多条沿光源区向输出区延伸的波导芯层；波导芯层适于将激光发射有源区发出的激光导入输出区；波导芯层的模场对应匹配激光发射有源区的模场；波导芯层的结构包括正锥结构、倒锥结构或多层波导耦合结构中的一种；输出区适于将来自波导芯层的激光进行对外输出。

可选的，各激光发射有源区平行阵列排布；各波导芯层平行排列；各波导芯层的宽度在自光源区至输出区的方向上呈倒锥结构或正锥结构。

可选的，各激光发射有源区平行阵列排布；各波导芯层平行排列；各波导芯层的高度在自光源区至输出区的方向上逐渐减小。

可选的，各激光发射有源区平行阵列排布；各波导芯层平行排列；各波导芯层的宽度在自光源区至输出区的方向上呈倒锥结构或正锥结构；并且，各波导芯层的高度在自光源区至输出区的方向上逐渐减小。

可选的，激光芯片光耦合结构中包括多个阵列排布的激光单元，激光单元包括：光源区的一部分，波导区的一部分和输出区的一部分；激光单元包括一个多模多结激光器。激光单元位于波导区的部分包括前段波导芯层和后段波导芯层；前段波导芯层一端朝向多模多结激光器，另一端连接后段波导芯层；后段波导芯层一端连接前段波导芯层，另一端朝向输出区；相互连接的前段波导芯层和后段波导芯层为一体结构；后段波导芯层包括竖直排布的多层后段子波导芯层；后段子波导芯层中，在自光源区向输出区的方向上，每一层后段子波导芯层的长度均小于低一层的后段子波导芯层的长度，同时大于高一层的后段子波导芯层的长度。

可选的，激光单元中的多条波导芯层还包括多条辅助波导芯层；辅助波导芯层包含前直型耦合段和后直型耦合段以及连接前直型耦合段和后直型耦合段的S弯耦合段；前直型耦合段靠近后段波导芯层，后直型耦合段远离后段波导芯层；辅助波导芯层自朝向光源区一端至朝向输出区的一端的宽度保持相同；辅助波导芯层的高度设置与后段波导芯层中最低层的子波导芯层的高度设置相同；辅助波导芯层的宽度是单模波导宽度。

可选的，所述前段波导芯层包括多层前段子波导芯层；各前段子波导芯层与多模多结激光器中的各级一一对应；各前段子波导芯层分别对应连接所述后段波导芯层中一个高度的子波导芯层；相互连接的前段子波导芯层和后段子波导芯层为一体结构。

本发明还提供一种激光芯片光耦合结构的制造方法，包括以下步骤：形成顺次排列的光源区、波导区和输出区；光源区形成有多模多结激光器，多模多结激光器具有多个激光发射有源区；各激光发射有源区发射的激光的模相同或不同；波导区形成有多条沿光源区向输出区延伸的波导芯层；波导芯层适于将激光发射有源区发出的激光导入输出区；波导芯层的模场对应匹配激光发射有源区的模场；输出区适于将来自波导芯层的激光进行对外输出。

可选的，波导芯层通过灰色刻蚀工艺加工形成。

本发明技术方案，具有如下优点：

本发明提供的激光芯片光耦合结构，光源区设置有多模多结激光器，具有多个激光发射有源区，实现了多模多结激光光束的发射。波导区的波导芯层的模场与激光发射有源区的模场一一对应，实现了多模多结激光光束的耦合输入，再经过波导区的转换，使多模光束在各自对应的单模波导中传播，避免了彼此之间的干涉效应，相比于传统单模激光器，可提供了更高的输入光功率和更好的光束质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明提供的激光芯片光耦合结构的实施例1的俯视示意图；

图2为图1中AA截面线的截面示意图；

图3为本发明提供的激光芯片光耦合结构的实施例2的俯视示意图；

图4为图3中AA截面线的截面示意图；

图5为本发明提供的激光芯片光耦合结构的实施例3的俯视示意图；

图6为图5中AA截面线的截面示意图；

图7为本发明提供的激光芯片光耦合结构的实施例4的俯视示意图；

图8为图7中AA截面线的截面示意图。

具体实施方式

为解决现有技术中大功率激光器使用受限的问题，本发明提供一种激光芯片光耦合结构及其制造方法。

本发明提供的激光芯片光耦合结构，包括：顺次排列的光源区、波导区和输出区；光源区设置有多模多结激光器，多模多结激光器具有多个激光发射有源区；各激光发射有源区发射的激光的模相同或不同；波导区设置有多条沿光源区向输出区延伸的波导芯层；波导芯层适于将激光发射有源区发出的激光导入输出区；波导芯层的模场对应匹配多个激光发射有源区的模场；输出区适于将来自波导芯层的激光进行对外输出。

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

参考图1-图2，本实施例提供一种激光芯片光耦合结构，包括：

顺次排列的光源区100、波导区200和输出区300。

光源区100设置有多模多结激光器，多模多结激光器具有多个激光发射有源区101。各激光发射有源区101发射的激光的模相同或不同。其中多模多结激光器与波导区200和输出区300可以集成在同一波导芯片上，也可以单独独立设置于波导芯片之外。

波导区200设置有多条沿光源区100向输出区300延伸的波导芯层201；波导芯层201适于将激光发射有源区101发出的激光导入输出区300；波导芯层201的模场对应匹配激光发射有源区101的模场。此处所指的对应匹配，可以是单个波导芯层201对应单个激光发射有源区101的匹配，也可以是单个波导芯层201对应水平位置相同高度位置不同的多个激光发射有源区101的匹配。

输出区300适于将来自波导芯层201的激光进行对外输出。输出区300接收到来自波导区200的激光，经过分束之后可以是阵列波导，对阵列波导进行相位调制，即可实现OPA功能；输出区300也可以与光波导网路芯片集成，实现大规模高速的光子计算。

其中，各激光发射有源区101平行阵列排布；各波导芯层201平行排列；各波导芯层201的宽度在自光源区100至输出区300的方向上呈倒锥结构或正锥结构。在本实施例中，各波导芯层201的宽度在自光源区100至输出区300的方向上呈倒锥结构。换言之，各波导芯层201的宽度在自光源区100至输出区300的方向上逐渐增大；同时，各所述波导芯层201的高度在自光源区100至输出区300的方向上保持不变。在其他一些实施例中，各波导芯层201的宽度在自光源区至输出区的方向上也可以逐渐减小。

本实施例提供的激光芯片光耦合结构，光源区100设置有多模多结激光器，具有多个激光发射有源区101，可以实现多模激光的发射。波导区200的波导芯层201的模场与激光发射有源区101的模场对应匹配，可以实现不同模的激光发射有源区101各自对应不同的波导芯层201。虽然每个激光发射有源区101发射的是单模，但是有多个激光发射有源区同时工作，从而实现了多模多结激光光束的发射。波导区200的波导芯层201的模场与激光发射有源区101的模场对应匹配，可以实现不同的激光发射有源区与波导芯层一一对应耦合，相比于单模激光器，可提供更高的输入光功率。各波导芯层201的宽度在自光源区100至输出区300的方向上逐渐增大，使得波导芯层201中耦合的激光更好的束缚在光波导中，从而实现更稳定的光传输。

实施例2

参考图3-图4，本实施例提供一种激光芯片光耦合结构，与实施例1的区别在于，各波导芯层201的高度在自光源区100至输出区300的方向上逐渐减小，换言之，各波导芯层201在自光源区100至输出区300的方向上由厚变薄；各波导芯层201的最高点的高度大于或等于多个激光发射有源区101中最高的激光发射有源区101的高度。同时在自光源区100至输出区300的方向上宽度没有变化。如此，也可使得波导芯层201中耦合的激光逐渐转变成标准单波导基模的高斯能量分布，提高了多模多结大功率激光器的利用率。

实施例3

参考图5-图6，本实施例提供一种激光芯片光耦合结构，与实施例1和实施例2的区别在于，在本实施例中，各波导芯层201的宽度在自光源区100至输出区300的方向上呈倒锥结构；并且，各波导芯层201的高度在自光源区100至输出区300的方向上由厚变薄。换言之，各波导芯层201的宽度在自光源区100至输出区300的方向上逐渐增大，各波导芯层201的高度在自光源区100至输出区300的方向上逐渐减小。在其他一些实施例中，宽度也可以呈正锥结构。

本实施例的激光芯片光耦合结构兼具上述实施例1和实施例2的特征，因此对多模多结大功率激光器的耦合效率相较前两者能够得到更大的提升。

实施例4

参考图7和图8，激光芯片光耦合结构中包括多个阵列排布的激光单元，激光单元包括：光源区100的一部分，波导区200的一部分和输出区300的一部分；图7中仅显示一个激光单元内的结构情况。激光单元包括一个多模多结激光器。

激光单元位于波导区的部分包括前段波导芯层210和后段波导芯层220；前段波导芯层210一端朝向多模多结激光器，另一端连接后段波导芯层220；后段波导芯层220一端连接前段波导芯层210，另一端朝向输出区300。相互连接的前段波导芯层210和后段波导芯层220为一体结构。

后段波导芯层220包括多层后段子波导芯层，且每一层子波导芯层的高度与一个对应高度的前段波导芯层的模场相匹配。以图7为例，后段波导芯层包括竖直排布的后段子波导芯层221、222和223。后段子波导芯层中，在自光源区100向输出区300的方向上，每一层后段子波导芯层的长度均小于低一层的后段子波导芯层的长度，同时大于高一层的后段子波导芯层的长度。以图7为例，后段子波导芯层222的长度小于比其低一层的子波导芯层221，同时长度大于高一层的子波导芯层223的长度。

进一步的，参考图8，前段波导芯层210包括多层前段子波导芯层211、212、213。各前段子波导芯层与多模多结激光器中的各级一一对应；各前段子波导芯层分别对应连接所述后段波导芯层220中一个高度的子波导芯层。相互连接的前段子波导芯层和后段子波导芯层为一体结构。以图8为例，最高层的前段子波导芯层213对应最高层的后段子波导芯层223，中间层的前段子波导芯层212对应中间层的后段子波导芯层222，最低层的前段子波导芯层211对应最低层的后段子波导芯层221。前段子波导芯层213与后段子波导芯层223为一体结构，前段子波导芯层212与后段子波导芯层222为一体结构，前段子波导芯层211与后段子波导芯层221为一体结构。

如此，对于从不同层的片状激光器发射的激光，更低层的后段子波导芯层中的光总是更早的先从所在的后段子波导芯层耦合出去或者进入更下一层，而当更高层的后段子波导芯层中的激光经由所在层的后段子波导芯层中时，低层的后段子波导芯层中的激光已耦合出去或者进入更下一层，避免了两束激光发生干涉现象，因此各激光发射有源区发出的激光即使不同模也几乎没有相互损耗，使得多模多结大功率激光器的耦合效率得到大幅提高。

进一步的，参考图7，激光单元中的多条波导芯层还包括多条辅助波导芯层230。辅助波导芯层230为定向耦合器(Directional Coupler)结构。具体的，辅助波导芯层230包含前直型耦合段和后直型耦合段以及连接前直型耦合段和后直型耦合段的S弯耦合段；前直型耦合段靠近后段波导芯层220，后直型耦合段远离后段波导芯层220。辅助波导芯层自朝向光源区一端至朝向输出区的一端的宽度保持相同；换言之，前直型耦合段、S弯耦合段和后直型耦合段的宽度一致。辅助波导芯层230的高度设置与后段波导芯层中最低层的后段子波导芯层的高度设置相同。辅助波导芯层230的宽度是单模波导宽度，从而保证了光的单模传输。各辅助波导芯层230朝向输出区一端的端面与后段波导芯层中最低层的后段子波导芯层221朝向输出区一端的端面位于同一平面。

如此设置，使得最低层的子波导芯层中的激光，依次耦合进入辅助波导芯层230，再通过辅助波导芯层230分别继续向输出区300传输，避免了最低层的子波导芯层光模式之间的干涉，减少了激光到达输出区300过程中的损耗，提高了多模多结激光器的耦合效率。以图7-图8为例，后段子波导芯层221的光依次耦合进入辅助波导芯层230，再通过辅助波导芯层230分别继续向输出区300传输。由于光模式之间是依次进入不同的辅助波导芯层230，避免了彼此之间的干涉效应，从而减少了激光到达输出区300过程中的额损耗，提高了多模多结激光器的耦合效率。

实施例6

本实施例提供一种上述实施例1-4的激光芯片光耦合结构的制造方法，包括以下步骤：

形成顺次排列的光源区、波导区和输出区；

光源区形成有多模多结激光器，多模多结激光器具有多个激光发射有源区；各激光发射有源区发射的激光的模相同或不同。

波导区形成有多条沿光源区向输出区延伸的波导芯层。波导芯层适于将激光发射有源区发出的激光导入输出区。所述波导芯层的模场对应匹配所述激光发射有源区的模场。

输出区适于将来自波导芯层的激光进行对外输出。

具体的，波导芯层通过灰色刻蚀工艺加工形成。

本实施例提供的激光芯片光耦合结构制造方法制造的激光芯片光耦合结构，光源区设置有多模多结激光器，具有多个激光发射有源区，从而实现了多模多结激光光束的发射。波导区的波导芯层的模场与激光发射有源区的模场对应匹配，可以实现不同的激光发射有源区与波导芯层一一对应耦合，相比于单模激光器，可提供更高的输入光功率。

本发明已通过实施例说明如上，相信本领域技术人员已可通过上述实施例了解本发明。显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。