一种激光器和硅光芯片双透镜耦合封装方法与流程

1.本发明涉及硅基光子集成技术，尤其涉及一种激光器和硅光芯片的双透镜耦合封装方法，本发明可用于光通信、激光雷达等技术领域。


背景技术：

2.传统的激光器芯片和硅光芯片之间的耦合方式可以分为端面耦合和透镜耦合两种。双透镜耦合方式相对于端面耦合和单透镜耦合，具有对准容差大、耦合效率高等优点，是激光器芯片与硅光芯片之间行之有效的耦合方式。
3.双透镜耦合由准直和聚焦两步构成，激光器出射的发散光束先经过准直透镜整形为准直光，然后经过聚焦透镜汇聚耦合到硅光芯片波导中。现有的双透镜耦合方法主要有两种，第一种方法为联合调试耦合，即将准直透镜和聚焦透镜放置于各自的焦点位置附近，同时调节两透镜，并通过硅光芯片上的探测器监测功率，实现最大的耦合效率，此种方式耦合时无规律性，耦合效率低；第二种方法为分步耦合，先调整准直透镜的位置，将激光器芯片的光准直，然后调整聚焦透镜的位置，并通过硅光芯片上的探测器监测功率，实现最大的耦合效率。这种方法在第一步时，一般会采用外部设备如ccd记录比较几个不同位置处的远场光斑进行分析，判断光束的准直状态，系统的复杂性和成本高。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了提供一种激光器和硅光芯片双透镜耦合封装方法，系统简单、低成本、效率高。
5.为解决以上技术问题，本发明的技术方案为：一种激光器和硅光芯片双透镜耦合封装方法，包括：步骤s100：激光器芯片和硅光芯片按照从前到后的位置摆放并贴装于衬底上；其中，所述硅光芯片上设置第一波导阵列和用于获取波导中光功率的第一探测器阵列；第一波导阵列用于接收光信号，包括主波导和辅助波导；主波导为激光器输出光待耦合进入硅光芯片的波导，辅助波导的分布关于主波导对称；第一探测器阵列用于记录耦合进第一波导阵列中每个波导的光功率，第一探测器阵列与第一波导阵列一一对应；步骤s200：将准直透镜放置于激光器芯片和硅光芯片之间，调整准直透镜的位置，基于第一探测器阵列记录的耦合进主波导、辅助波导的光电流大小及光电流分布来确定准直透镜位置，从而固化准直透镜；步骤s300：将聚焦透镜放置于准直透镜和硅光芯片之间，调整聚焦透镜的位置，基于第一探测器阵列记录的耦合进主波导和辅助波导的光电流大小来确定聚焦透镜位置，从而固化聚焦透镜。
6.进一步地，第一探测器阵列包括：与主波导对应的主探测器和与各辅助波导对应的各辅助探测器。
7.进一步地，硅光芯片还包括片上分光结构，将主波导输入光分成两支路，其中小光功率的支路输出连接主探测器，用于记录耦合进入主波导的光功率，另一路连接硅光芯片上的功能器件。
8.进一步地，步骤s200中，基于第一探测器阵列探测的耦合进主波导、辅助波导的光电流大小及光电流分布来确定准直透镜位置，包括：步骤s210：将准直透镜放置于激光器芯片和硅光芯片之间，初始位置时，激光器芯片出光口位置位于准直透镜的焦点附近；步骤s220：沿z方向调整准直透镜的位置并沿y轴微调旋转准直透镜的角度，实时监测主探测器0的光电流，使主探测器0的光电流最大，此时准直透镜在z方向的光轴高度与激光器芯片和硅光芯片在z方向的光轴高度匹配；步骤s230：沿y方向调整准直透镜的位置并沿z轴微调旋转准直透镜的角度，实时监测探测器-n~n的光电流，使得辅助探测器光电流的分布关于主探测器0对称，此时准直透镜在y方向光轴高度与激光器芯片和硅光芯片在y方向的光轴高度匹配；步骤s240：沿x方向微调准直透镜，实时监测探测器-n~n的光电流，并将探测器的光电流分布与准直光耦合进入硅光芯片的光电流分布参考值进行对比，找到两者差别最小的位置，此时激光器芯片位于准直透镜的焦点处，经过准直透镜后的光为准直光，在当前位置贴装固化准直透镜。
9.进一步地，步骤s240中，准直光耦合进入硅光芯片的光电流分布参考值获取方法为：获取准直透镜理论的焦点位置，此时经过准直透镜出射的光为准直光；计算准直光耦合进入硅光芯片时的光电流分布，作为光电流分布参考值。
10.进一步地，步骤s300中，基于第一探测器阵列记录的耦合进主波导和辅助波导的光电流大小来确定聚焦透镜位置，包括：步骤s310：将聚焦透镜放置于准直透镜和硅光芯片之间，初始位置位于硅光芯片主波导出光口前焦点附近；步骤s320：沿z方向调整聚焦透镜的位置并沿y轴微调旋转聚焦透镜的角度，实时监测探测器-n~n的光电流，使探测器的光电流最大，此时聚焦透镜在z方向的光轴高度与激光器芯片、准直透镜、硅光芯片在z方向的光轴高度匹配；步骤s330：沿y方向调整聚焦透镜的位置并沿z轴微调旋转聚焦透镜的角度，实时监测主探测器0的光电流，使主探测器的光电流最大，此时聚焦透镜在y方向的光轴高度与激光器芯片、准直透镜、硅光芯片在y方向的光轴高度匹配；步骤s340：沿x方向调整聚焦透镜的位置，实时监测主探测器0的光电流，使主探测器的光电流最大，此时硅光芯片主波导0的端面位于聚焦透镜的焦点处，在当前位置贴装固化聚焦透镜。
11.进一步地，步骤s100中，所述硅光芯片上还设置有第二波导阵列和用于获取第二波导阵列的各波导中光功率的第二探测器阵列；第二波导阵列用于接收光信号，包括主波导和辅助波导；辅助波导的分布关于主波导对称；第二探测器阵列用于记录耦合进第二波导阵列中每个波导的光功率，第二探测器阵列与第二波导阵列一一对应；第二探测器阵列包括：与第二波导阵列中主波导对应的主探测器和与第二波导阵列中各辅助波导对应的各
辅助探测器。
12.进一步地，步骤s230中，还包括以下步骤：将组合棱镜放置于准直透镜和硅光芯片之间，沿z轴旋转微调组合棱镜，并实时监测第一探测器阵列中探测器-n~n的光电流，使得辅助探测器光电流的分布关于主探测器0对称，此时组合棱镜的加入不影响原来无组合棱镜时的光路传播方向；其中，准直透镜的出射光经组合棱镜的分光面，一部分入射到聚焦透镜，一部分入射到全反射面，然后经全反射面反射入射到硅光芯片上第二波导阵列中；第二波导阵列用于接收经全反射面反射光信号；步骤s240中，准直透镜固化完成后，移除组合棱镜。
13.进一步地，步骤s230中，还包括以下步骤：沿y方向微调准直透镜，实时监测第二探测器阵列中主探测器0的光电流，使主探测器0的光电流最大，此时经全发射面反射耦合进入第二波导阵列的光束中心位于第二波导阵列的主波导中心。
14.进一步地，步骤s240中，准直光耦合进入硅光芯片的光电流分布参考值获取方法为：沿x方向微调准直透镜，实时监测第一探测器阵列中探测器-n~n的光电流和第二探测器阵列中探测器-n’~n’的光电流，其中，第二探测器阵列中探测器-n’~n’的光电流即光电流分布参考值。
15.本发明具有如下有益效果：一、本发明通过硅光芯片上的波导阵列和对应的探测器阵列实现对双透镜耦合过程的反馈，具有系统简单、低成本的优点；二、本发明将双透镜耦合过程分为准直和聚焦两步，每一步都可以通过pd阵列即探测器阵列的电流实现反馈和调节，耦合步骤清晰明确，方向性强，效率高。
附图说明
16.图1为本发明激光器芯片和硅光芯片双透镜耦合封装后系统的示意图；图1（a）为本发明激光器芯片和硅光芯片双透镜耦合封装后系统的xy平面图；图1（b）为本发明激光器芯片和硅光芯片双透镜耦合封装后系统的xz平面图；图2为本发明实施例1系统的示意图；图3为实施例1中步骤s100完成后的系统示意图；图4为实施例1中步骤s210完成后的系统示意图；图5为实施例1中准直透镜偏离y方向光轴匹配高度10um时，探测器-6~ 6的光电流图；图6为实施例1中准直透镜分别位于激光器芯片出光口前180um、200um、220um时探测器-6~6的归一化光电流图；图7为本发明实施例2系统的示意图；图8为实施例2中步骤s100完成后的系统示意图；图9为实施例2中步骤s210完成后的系统示意图；图10为实施例2中步骤s230完成后的系统示意图；图11为实施例2中准直透镜分别位于激光器芯片出光口前180um、200um、220um时第一探测器阵列的探测器-6~6和第二探测器阵列的探测器-6~6归一化光电流的比值；
图12为实施例2中步骤s310完成后的系统示意图。
17.附图说明：1、激光器芯片；2、硅光芯片；3、准直透镜；4、聚焦透镜；5、第一波导阵列；6、第一探测器阵列；7、片上分光结构；8、陶瓷衬底；9、组合棱镜；9-1、分光面；9-2、全反射面；10、第二波导阵列；11、第二探测器阵列。
具体实施方式
18.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
19.本发明提供一种激光器和硅光芯片双透镜耦合封装方法，图1为激光器芯片和硅光芯片双透镜耦合封装后的系统示意图，a为xy平面图，b为xz平面图，之后的图不特殊说明，其坐标系与图1（a）相同，即为xy平面图。封装后的系统包括都贴装在陶瓷衬底8上的激光器芯片1、硅光芯片2、准直透镜3和聚焦透镜4，准直透镜3用于将激光器芯片1的出射光进行准直；聚焦透镜4用于将准直光聚焦耦合进入硅光芯片2。
20.下面给出两种实施例对本发明进行说明。
实施例1
21.结合图2-图6，一种激光器和硅光芯片双透镜耦合封装方法，其包括：步骤s100：激光器芯片1和硅光芯片2按照从前到后的位置摆放并贴装于陶瓷衬底8上，如图3所示；图2为实施例1系统示意图，所述硅光芯片2上设置第一波导阵列5和用于获取波导中光功率的第一探测器阵列6；第一波导阵列5用于接收光信号，本实施例中，第一波导阵列5由2n+1个波导组成，分别标记为波导-n、波导-n+1、
…
波导-1、波导0、波导1、
…
波导n-1、波导n，其中波导0为主波导，即激光器输出光待耦合进入硅光芯片2的波导，其余波导为辅助波导；相邻辅助波导之间可以等距分布也可以不等距分布，但辅助波导的分布关于主波导0对称，即波导-1与波导1到波导0距离相同，波导-2与波导2到波导0距离相同
…
,波导-n与波导n到波导0距离相同；第一探测器阵列6用于记录耦合进第一波导阵列5中每个波导的光功率，第一探测器阵列6与第一波导阵列5一一对应；第一探测器阵列6通过集成探测器或外贴探测器实现，其标记为探测器-n、探测器-n+1、
…
探测器-1、探测器0、探测器1、
…
探测器n-1、探测器n，其中探测器0为与主波导对应的主探测器，其余探测器为与各辅助波导对应的各辅助探测器；硅光芯片2还包括片上分光结构7，将主波导即波导0输入光分成两支路，其中小光功率的支路输出连接主探测器0，用于记录耦合进入主波导0的光功率，另一路连接硅光芯片2上的功能器件，如调制器、复用器等。片上分光结构7可通过定向耦合器、多模干涉耦合器等结构实现，可设计如95：5或90:10的分光比。
22.步骤s200：将准直透镜3放置于激光器芯片1和硅光芯片2之间，调整准直透镜3的位置，基于第一探测器阵列6记录的耦合进主波导、辅助波导的光电流大小及光电流分布来确定准直透镜3位置，从而固化准直透镜3；步骤s200具体包括：步骤s210：将准直透镜3放置于激光器芯片1和硅光芯片2之间，初始位置位于激光
器芯片1前约200um处，此时激光器芯片1出光口位置位于准直透镜3的焦点附近，如图4所示；步骤s220：沿z方向调整准直透镜3的位置并沿y轴微调旋转准直透镜3的角度，实时监测主探测器0的光电流，使主探测器0的光电流最大，此时准直透镜3在z方向的光轴高度与激光器芯片1和硅光芯片2在z方向的光轴高度匹配；步骤s230：沿y方向调整准直透镜3的位置并沿z轴微调旋转准直透镜3的角度，实时监测探测器-n~n的光电流，使得辅助探测器光电流的分布关于主探测器0对称，此时准直透镜3在y方向光轴高度与激光器芯片1和硅光芯片2在y方向的光轴高度匹配；图5为准直透镜3偏离y方向光轴匹配高度10um时，探测器-6~探测器6的光电流，此时辅助探测器电流关于主探测器0出现明显的不对称，且越远离主探测器0，对称分布的辅助探测器差别越大，如辅助探测器4和探测器-4之间已有7倍的差别。从这个角度来说，为了简化流程，步骤s230这一步骤也可以记录远离主探测器0的对称辅助探测器组的电流大小即可，如辅助探测器-4和探测器4；步骤s240：沿x方向微调准直透镜3，实时监测探测器-n~n的光电流，并将探测器光电流的分布与计算的准直光耦合进入硅光芯片2时光电流分布进行对比，找到两者差别最小的位置，此时激光器芯片1位于准直透镜3的焦点处，经过准直透镜3后的光为准直光，在此位置贴装固化准直透镜3；图6为准直透镜3分别位于激光器芯片1出光口前180um、200um、220um时探测器-6~6的归一化光电流，其中200um处为理论的焦点位置，此时经过准直透镜3出射的光为准直光。准直光耦合进入硅光芯片2时光电流分布是理论计算出来的，基于已知的激光器的参数、准直透镜的参数以及波导之间的间距参数之后，可以理论计算出来；本实施例中，可以看到，当准直透镜3的位置偏离焦点位置时，探测器电流分布偏离理想曲线，且越远离主探测器0，辅助探测器电流的差异越大，以辅助探测器5为例，180um处的光电流与200um处的光电流差异大于1.5倍，220um处的光电流与200um处的光电流差异大于7倍。
23.步骤s300：将聚焦透镜4放置于准直透镜3和硅光芯片2之间，调整聚焦透镜4的位置，基于第一探测器阵列6记录的耦合进主波导和辅助波导的光电流大小来确定聚焦透镜4位置，从而固化聚焦透镜4；步骤s300具体包括：步骤s310：将聚焦透镜4放置于准直透镜3和硅光芯片2之间，初始位置位于硅光芯片2主波导出光口前焦点附近；步骤s320：沿z方向调整聚焦透镜4的位置并沿y轴微调旋转聚焦透镜4的角度，实时监测探测器-n~n的光电流，使探测器的光电流最大，此时聚焦透镜4在z方向的光轴高度与激光器芯片1、准直透镜3、硅光芯片2在z方向的光轴高度匹配；步骤s330：沿y方向调整聚焦透镜4的位置并沿z轴微调旋转聚焦透镜4的角度，实时监测主探测器0的光电流，使主探测器的光电流最大，此时聚焦透镜4在y方向的光轴高度与激光器芯片1、准直透镜3、硅光芯片2在y方向的光轴高度匹配；步骤s340：沿x方向调整聚焦透镜4的位置，实时监测主探测器0的光电流，使主探测器的光电流最大，此时硅光芯片2主波导0的端面位于聚焦透镜4的焦点处，在当前位置贴装固化聚焦透镜4。
实施例2
24.结合图7-图12，一种激光器和硅光芯片双透镜耦合封装方法，其包括：步骤s100：激光器芯片1和硅光芯片2按照从前到后的位置摆放并贴装于衬底上，如图8所示；图7为实施例2系统示意图，所述硅光芯片2上设置第一波导阵列5和用于获取第一波导阵列5中各波导光功率的第一探测器阵列6；第一波导阵列5用于接收光信号，本实施例中，第一波导阵列5由2n+1个波导组成，分别标记为波导-n、波导-n+1、
…
波导-1、波导0、波导1、
…
波导n-1、波导n，其中波导0为主波导，即激光器输出光待耦合进入硅光芯片2的波导，其余波导为辅助波导；相邻辅助波导之间可以等距分布也可以不等距分布，但辅助波导的分布关于主波导0对称，即波导-1与波导1到波导0距离相同，波导-2与波导2到波导0距离相同
…
,波导-n与波导n到波导0距离相同；第一探测器阵列6用于记录耦合进第一波导阵列5中每个波导的光功率，第一探测器阵列6与第一波导阵列5一一对应；第一探测器阵列6通过集成探测器或外贴探测器实现，其标记为探测器-n、探测器-n+1、
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探测器-1、探测器0、探测器1、
…
探测器n-1、探测器n，其中探测器0为与主波导对应的主探测器，其余探测器为与各辅助波导对应的各辅助探测器；硅光芯片2还包括片上分光结构7，将主波导即波导0输入光分成两支路，其中小光功率的支路输出连接主探测器0，用于记录耦合进入主波导0的光功率，另一路连接硅光芯片2上的功能器件，如调制器、复用器等。片上分光结构7可通过定向耦合器、多模干涉耦合器等结构实现，可设计如95：5或90:10的分光比。
25.硅光芯片2上还设有第二波导阵列10和用于获取第二波导阵列10的各波导中光功率的第二探测器阵列11；第二探测器阵列11和第一探测器阵列6的结构相同；本实施例中，第二波导阵列10由2n’+1个波导组成，分别标记为波导-n’、波导-n’+1、
…
波导-1、波导0、波导1、
…
波导n
’‑
1、波导n’，其中波导0为主波导，其余波导为辅助波导，波导n’可与波导n相同，也可以不相同；相邻辅助波导之间可以等距分布也可以不等距分布，但其分布关于波导0对称，即波导-1与波导1到波导0距离相同，波导-2与波导2到波导0距离相同
…
，波导-n’与波导n’到主波导0距离相同。
26.硅光芯片2上第二探测器阵列11，与第二波导阵列10一一对应，用于记录耦合进入第二波导阵列10中每个波导中的光功率，可通过集成探测器或外贴探测器实现，其标记为探测器-n’、探测器-n’+1、
…
探测器-1、探测器0、探测器1、
…
探测器n
’‑
1、探测器n’，其中探测器0为与第二波导阵列10中主波导对应的主探测器，其余探测器为与第二波导阵列10中各辅助波导对应的各辅助探测器。
27.步骤s200：将准直透镜3放置于激光器芯片1和硅光芯片2之间，调整准直透镜3的位置，基于第一探测器阵列6记录的耦合进主波导、辅助波导的光电流大小及光电流分布来确定准直透镜3位置，从而固化准直透镜3；步骤s200具体包括：步骤s210：将准直透镜3放置于激光器芯片1和硅光芯片2之间，初始位置位于激光器芯片1前约200um处，此时激光器芯片1出光口位置位于准直透镜3的焦点附近，如图9所示；步骤s220：沿z方向调整准直透镜3的位置并沿y轴微调旋转透镜的角度，实时监测
第一探测器阵列6中主探测器0的光电流，使主探测器0的光电流最大，此时准直透镜3在z方向的光轴高度与激光器芯片1和硅光芯片2在z方向的光轴高度匹配；步骤s230：沿y方向调整准直透镜3的位置并沿z轴微调旋转透镜的角度，实时监测第一探测器阵列6中探测器-n~n的光电流，使得辅助探测器光电流的分布关于主探测器0对称，此时准直透镜3在y方向光轴高度与激光器芯片1和硅光芯片2在y方向的光轴高度匹配；步骤s230中，还包括以下步骤：将组合棱镜9放置于准直透镜3和硅光芯片2之间，如图10所示。沿z轴旋转微调组合棱镜9，并实时监测第一探测器阵列6中-n~n的光电流，使得辅助探测器光电流的分布关于主探测器0对称，此时组合棱镜9的加入不影响原来无组合棱镜9时的光路传播方向；其中，准直透镜3的出射光经组合棱镜9的分光面9-1，一部分入射到聚焦透镜4，一部分入射到全反射面9-2，然后经全反射面9-2反射入射到硅光芯片2上第二波导阵列10中；第二波导阵列10用于接收经全反射面9-2反射光信号；沿y方向微调准直透镜3，实时监测第二探测器阵列11中主探测器0的光电流，使主探测器0的光电流最大，此时经全反射面9-2反射耦合进入第二波导阵列10的光束中心位于主波导0中心；步骤s240：沿x方向微调准直透镜3，实时监测第一探测器阵列6中探测器-n~n的光电流、第二探测器阵列11中探测器-n’~n’的光电流，并比较两探测器阵列的探测器电流分布，找到两者差别最小的位置，此时激光器芯片1位于准直透镜3的焦点处，经过准直透镜3后的光为准直光，在此位置贴装固化准直透镜3；图11为准直透镜3分别位于激光器芯片1出光口前180um、200um、220um时第一探测器阵列6的探测器-6~6和第二探测器阵列11的探测器-6~6归一化光电流的比值，其中200um处为理论的焦点位置，此时经过准直透镜3出射的光为准直光。可以看到，当准直透镜3的位置偏离焦点位置时，第一探测器阵列6和第二探测器阵列11对应的探测器电流比值偏离1,且越远离主探测器0，辅助探测器电流的差异越大，以辅助探测器4为例，180um处的光电流比值与200um处的光电流比值差异大于1.4倍，220um处的光电流比值与200um处的光电流比值差异大于6倍；本实施例中，组合棱镜作用在于：实施例1的准直光参考电流是通过理论计算出来的，但是实际的透镜、激光器的参数等由于制作的误差会跟理论值有点差别，所以理论计算有一定的误差，而且每个器件都不一样。组合棱镜以及两个波导阵列的使用相当于在光传播方向上两个不同的距离处测试光场的分布情况，如果是准直光，这两个光场分布是一致的。所以组合棱镜方法是实测比较两个光场分布的，跟理论计算相比会更准确。
28.准直透镜3固化完成后，移除组合棱镜9；组合棱镜9在耦合过程中作为辅助器件，耦合好后移除。
29.步骤s300：将聚焦透镜4放置于准直透镜3和硅光芯片2之间，调整聚焦透镜4的位置，基于第一探测器阵列6记录的耦合进主波导和辅助波导的光电流大小来确定聚焦透镜4位置，从而固化聚焦透镜4；步骤s300具体包括：步骤s310：将聚焦透镜4放置于准直透镜3和硅光芯片2之间，初始位置位于硅光芯片2第一波导阵列5的主波导0出光口前焦点附近，如图12所示；步骤s320：沿z方向调整聚焦透镜4的位置并沿y轴微调旋转透镜的角度，实时监测第一探测器阵列6的探测器-n~n的光电流，使探测器的光电流最大，此时聚焦透镜4在z方向
的光轴高度与激光器芯片1、准直透镜3、硅光芯片2在z方向的光轴高度匹配；步骤s330：沿y方向调整聚焦透镜4的位置并沿z轴微调旋转透镜的角度，实时监测第一探测器阵列6的主探测器0的光电流，使探测器的光电流最大，此时聚焦透镜4在y方向的光轴高度与激光器芯片1、准直透镜3、硅光芯片2在y方向的光轴高度匹配；步骤s340：沿x方向调整聚焦透镜4的位置，实时监测第一探测器阵列6的探测器0的光电流，使探测器的光电流最大，此时硅光芯片2第一波导阵列5的主波导0端面位于聚焦透镜4的焦点处，在此位置贴装固化聚焦透镜4。
30.本发明未涉及部分均与现有技术相同或采用现有技术加以实现。
31.以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种激光器和硅光芯片双透镜耦合封装方法，其特征在于：包括步骤s100：激光器芯片和硅光芯片按照从前到后的位置摆放并贴装于衬底上；其中，所述硅光芯片上设置第一波导阵列和用于获取波导中光功率的第一探测器阵列；第一波导阵列用于接收光信号，包括主波导和辅助波导；主波导为激光器输出光待耦合进入硅光芯片的波导，辅助波导的分布关于主波导对称；第一探测器阵列用于记录耦合进第一波导阵列中每个波导的光功率，第一探测器阵列与第一波导阵列一一对应；步骤s200：将准直透镜放置于激光器芯片和硅光芯片之间，调整准直透镜的位置，基于第一探测器阵列记录的耦合进主波导、辅助波导的光电流大小及光电流分布来确定准直透镜位置，从而固化准直透镜；步骤s300：将聚焦透镜放置于准直透镜和硅光芯片之间，调整聚焦透镜的位置，基于第一探测器阵列记录的耦合进主波导和辅助波导的光电流大小来确定聚焦透镜位置，从而固化聚焦透镜。2.根据权利要求1所述的激光器和硅光芯片双透镜耦合封装方法，其特征在于：第一探测器阵列包括：与主波导对应的主探测器和与各辅助波导对应的各辅助探测器。3.根据权利要求2所述的激光器和硅光芯片双透镜耦合封装方法，其特征在于：硅光芯片还包括片上分光结构，将主波导输入光分成两支路，其中小光功率的支路输出连接主探测器，用于记录耦合进入主波导的光功率，另一路连接硅光芯片上的功能器件。4.根据权利要求2所述的激光器和硅光芯片双透镜耦合封装方法，其特征在于：步骤s200中，基于第一探测器阵列探测的耦合进主波导、辅助波导的光电流大小及光电流分布来确定准直透镜位置，包括：步骤s210：将准直透镜放置于激光器芯片和硅光芯片之间，初始位置时，激光器芯片出光口位置位于准直透镜的焦点附近；步骤s220：沿z方向调整准直透镜的位置并沿y轴微调旋转准直透镜的角度，实时监测主探测器0的光电流，使主探测器0的光电流最大，此时准直透镜在z方向的光轴高度与激光器芯片和硅光芯片在z方向的光轴高度匹配；步骤s230：沿y方向调整准直透镜的位置并沿z轴微调旋转准直透镜的角度，实时监测探测器-n~n的光电流，使得辅助探测器光电流的分布关于主探测器0对称，此时准直透镜在y方向光轴高度与激光器芯片和硅光芯片在y方向的光轴高度匹配；步骤s240：沿x方向微调准直透镜，实时监测探测器-n~n的光电流，并将探测器的光电流分布与准直光耦合进入硅光芯片的光电流分布参考值进行对比，找到两者差别最小的位置，此时激光器芯片位于准直透镜的焦点处，经过准直透镜后的光为准直光，在当前位置贴装固化准直透镜。5.根据权利要求4所述的激光器和硅光芯片双透镜耦合封装方法，其特征在于：步骤s240中，准直光耦合进入硅光芯片的光电流分布参考值获取方法为：获取准直透镜理论的焦点位置，此时经过准直透镜出射的光为准直光；计算准直光耦合进入硅光芯片时的光电流分布，作为光电流分布参考值。6.根据权利要求2所述的激光器和硅光芯片双透镜耦合封装方法，其特征在于：步骤s300中，基于第一探测器阵列记录的耦合进主波导和辅助波导的光电流大小来确定准直透
镜位置，包括：步骤s310：将聚焦透镜放置于准直透镜和硅光芯片之间，初始位置位于硅光芯片主波导出光口前焦点附近；步骤s320：沿z方向调整聚焦透镜的位置并沿y轴微调旋转聚焦透镜的角度，实时监测探测器-n~n的光电流，使探测器的光电流最大，此时聚焦透镜在z方向的光轴高度与激光器芯片、准直透镜、硅光芯片在z方向的光轴高度匹配；步骤s330：沿y方向调整聚焦透镜的位置并沿z轴微调旋转聚焦透镜的角度，实时监测主探测器0的光电流，使主探测器的光电流最大，此时聚焦透镜在y方向的光轴高度与激光器芯片、准直透镜、硅光芯片在y方向的光轴高度匹配；步骤s340：沿x方向调整聚焦透镜的位置，实时监测主探测器0的光电流，使主探测器的光电流最大，此时硅光芯片主波导0的端面位于聚焦透镜的焦点处，在当前位置贴装固化聚焦透镜。7.根据权利要求1-6任一项所述的激光器和硅光芯片双透镜耦合封装方法，其特征在于：步骤s100中，所述硅光芯片上还设置有第二波导阵列和用于获取第二波导阵列的各波导中光功率的第二探测器阵列；第二波导阵列用于接收光信号，包括主波导和辅助波导；辅助波导的分布关于主波导对称；第二探测器阵列用于记录耦合进第二波导阵列中每个波导的光功率，第二探测器阵列与第二波导阵列一一对应；第二探测器阵列包括：与第二波导阵列中主波导对应的主探测器和与第二波导阵列中各辅助波导对应的各辅助探测器。8.根据权利要求7所述的激光器和硅光芯片双透镜耦合封装方法，其特征在于：步骤s230中，还包括以下步骤：将组合棱镜放置于准直透镜和硅光芯片之间，沿z轴旋转微调组合棱镜，并实时监测第一探测器阵列中探测器-n~n的光电流，使得辅助探测器光电流的分布关于主探测器0对称，此时组合棱镜的加入不影响原来无组合棱镜时的光路传播向；其中，准直透镜的出射光经组合棱镜的分光面，一部分入射到聚焦透镜，一部分入射到全反射面，然后经全反射面反射入射到硅光芯片上第二波导阵列中；第二波导阵列用于接收经全反射面反射光信号；步骤s240中，准直透镜固化完成后，移除组合棱镜。9.根据权利要求8所述的激光器和硅光芯片双透镜耦合封装方法，其特征在于：步骤s230中，还包括以下步骤：沿y方向微调准直透镜，实时监测第二探测器阵列中主探测器0的光电流，使主探测器0的光电流最大，此时经全发射面反射耦合进入第二波导阵列的光束中心位于第二波导阵列的主波导中心。10.根据权利要求8所述的激光器和硅光芯片双透镜耦合封装方法，其特征在于：步骤s240中，准直光耦合进入硅光芯片的光电流分布参考值获取方法为：沿x方向微调准直透镜，实时监测第一探测器阵列中探测器-n~n的光电流和第二探测器阵列中探测器-n’~n’的光电流，其中，第二探测器阵列中探测器-n’~n’的光电流即光电流分布参考值。

技术总结
本发明涉及硅基光子集成技术，尤其涉及一种激光器和硅光芯片的双透镜耦合封装方法，首先，激光器芯片和硅光芯片按照从前到后的位置摆放并贴装于衬底上；其中，所述硅光芯片上设置第一波导阵列和用于获取波导中光功率的第一探测器阵列；将准直透镜放置于激光器芯片和硅光芯片之间，调整准直透镜的位置，基于第一探测器阵列记录的耦合进主波导、辅助波导的光电流大小及光电流分布来确定准直透镜位置，从而固化准直透镜；将聚焦透镜放置于准直透镜和硅光芯片之间，调整聚焦透镜的位置，基于第一探测器阵列记录的耦合进主波导和辅助波导的光电流大小来确定聚焦透镜位置，从而固化聚焦透镜。本发明系统简单、低成本、效率高。效率高。效率高。


技术研发人员：张晓波 李磊 方舟 陈泽 史弘康
受保护的技术使用者：NANO科技（北京）有限公司
技术研发日：2023.07.28
技术公布日：2023/10/6