CN100428507C - 光发送器 - Google Patents

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Abstract

本发明使用光纤作为传输介质提供用于发送光信号的光发送器。该光发送器包含：具有通孔的基底；以及放置在基底的后表面且具有发光部分的发光元件。该通孔有内壁。该通孔的内径从基底的后表面向其前表面增加。放置该发光元件，以便发光部分被暴露在通孔内。发光部分向基底的前表面发射光束。该通孔使得部分光束穿出通孔而不被反射，并且其他光束在从通孔内壁被反射后穿出通孔。通过有效利用具有宽的发射角度的光束可能增加光发送器的耦合效率，并改善其热消散，同时实现光发送器的小型化并降低成本。

Description

光发送器
技术领域
本发明涉及光发送器。更为具体地，本发明涉及使用光纤作为传输介质，用于发送光信号的光发送器。
背景技术
在国内通信、机动车辆内部通信以及如使用LAN(局域网)的通信等等中使用发光二极管作为光源以及使用多模光纤作为传输介质的光发送器是已知的。作为与本发明相关的现有技术，下面的内容是已知的。
(1)光半导体器件的特征在于包含：一对彼此面对排列的导线、具有反射面并被放置在其中一根导线的末端的金属盒、放置在该金属盒的反射面上的光半导体元件，该光半导体元件的一个电极连接到其中一根导线、以及用于连接光半导体元件的另一个电极到另一根导线的电线(参见，如日本未审查的专利申请第Sho 58(1983)-56483)。
(2)一种用于光纤耦合的发光二极管元件，该元件通过其透明组件引导从放置在发光元件支架上的发光元件片发出的光束，该发光元件特征在于包含具有平坦盘形的中心部分和外围部分的透明组件、面向发光元件片的平坦盘形的中心部分、厚度随到透明组件的中心的距离的增加而降低的外围部分(参见，例如日本未审查专利申请第Sho 59(1984)-180515)。
(3)一种半导体发光器件，特征在于包含：外壳、寄存于该外壳中的发光元件、用于从外部为该发光元件提供电能的导线、限定在外壳上用于连接光纤和外壳的连接部分、引导从发光元件发射的光束的光纤，这样，光束通过联接到连接部分的光纤发射、以及面向发光元件的发光面用于反射从发光元件发射的光束并因此将光束指引到光纤的收光面的凹反射面(参见，例如日本未审查专利申请第Hei 1(1989)-241185)。
(4)一种测量多个点的距离的测距仪，特征在于包含多个发光源和至少一个感光器，发光源为分别安装在引线框内形成的多个凹处的底部的半导体芯片(参见，例如日本未审查专利申请第Hei 3(1991)-188312)。
(5)一种投影机，特征在于包含：(i)一半或少于一半的旋转抛物面，该旋转抛物面是通过由包含旋转轴的面将旋转抛物面分开而获得的，该一半或少于一半的抛物面具有抛物面形状的镜面，以及(ii)安排在该抛物面的焦点附近的光源，以便从光源发射的光的中心发光通量入射到该镜面(参见，例如日本未审查专利申请第Sho 62(1987)-17721)。
(6)一种用于把从发光元件发射的光束引导到光纤近端的收光面的光耦合设备，该光纤面向发光元件，该光耦合设备特征在于包含：处于发光元件和光纤间的传送型的光收集装置，它用于允许从发光元件发射的光束穿越该装置以便光束在光纤上收集；以及反射型的光收集装置，它位于传送型的光发射装置的周围，该反射型的光收集装置具有用于反射从发光元件发射的光束的反射面以便光束在光纤上收集，反射型的光收集装置的反射面为旋转的椭圆面，它形成两个焦点，发光元件放在其中一个焦点上，光纤的收光面在另一个焦点上(参见，例如日本未审查专利申请第2002-40299)。
(7)一种用于安装发光二极管的结构，包含：第一引线框，该引线框有通过芯片安装位置形成的光穿透孔的芯片安装位置；安装在第一引线框上的LED芯片，以便LED芯片的发光面面向第一引线框的光穿透孔；以及第二引线框，该引线框由电线结合到LED芯片的后表面的电极，该结构的特征在于LED芯片、电线和第一引线框和第二引线框各自的远端被透明树脂所覆盖(参见，例如日本未审查专利申请第Sho 60(1985)-12782)。
作为用于耦合LED(发光二极管)和光纤的已知的常用的光发送器，例如，图21所示的光发送器，它由传递(transfer)模型产生。
图2 1所示的光发送器101包含引线框105、位于引线框105上的LED103、覆盖引线框105和LED103的模制树脂109、由与形成模制树脂109相同的树脂形成的透镜104、以及光纤102。从LED103发射的光束由透镜104收集在光纤102上。
然而，这种光发送器存在一个问题，即很难高效率地把从LED103发射的光束耦合到光纤102。
这个问题与图22显示的LED的远场图形(FFP)相关。即，LED的远场图形一般是朗伯(Lambert)图形，LED的发射强度由余弦函数表示。LED的远场图形具有一特征：当与来自半导体激光器等等之一进行比较时，来自LED的光束具有宽的发射角度。为此，在图21所示的由传递模型产生的光系统中，从LED103发射的具有宽发射角度的光束不能被耦合到透镜104，这就引起了损失。
解决这个问题的一个方法是使透镜104离LED103更近，用于把具有宽发射角度的光束耦合到透镜104。然而，使透镜104离LED更近导致不能确保在光发送器的厚度方向LED103的电极和引线框结合所需要的空间。进一步，以上方法要求透镜104具有减少的焦距(即，透镜104具有扁平的凹面)。考虑所有这些方面，采用使透镜104离LED103更近的方法很难提高耦合到光纤102的效率。
另一方面，有各种方法可以通过反射来自凹面镜的光束来改变具有宽发射角度的光路径，以提高光束的利用效率。
作为使用凹面镜的常用的光发送器是已知的，例如图23所示。
在图23所示的光发送器201中，基底205其中有凹面部分。凹面部分作为具有高反射系数且其内径从其底面侧向其上沿侧逐渐增加的凹面镜108。放置LED103，以便LED103的后表面一侧(与光束面106相对)与凹面部分的底面一侧接触。
从LED103的发光面106发射的具有宽发射角度的光束从凹面镜108反射，以便其光路径朝光纤的远端改变，这未被显示。因此，即使具有宽发射角度的光束也能被有效使用。
然而，在使用凹面镜的光发送器中，当实现光发送器的小型化并降低成本时，很难增加耦合效率。
即，例如，在图23所示的光发送器201中，假定：LED103为高为300微米、宽为300微米的立方体形；凹面镜108的锥角θ为60°；并且凹面部分在其底面一侧的内径Ф为500微米，该凹面部分需要约为1.3毫米的深度T0且在上沿一侧的内径R0为2毫米，以使凹面镜108改变具有发射角度为45°或更宽的光束、以及从LED103的发光面106的中心发射的光束的光路径。结果是，需要直径Ф为2毫米或更大的透镜来收集光束并将其耦合到光纤，该光束的光路径已被凹面镜108改变。
如果在出现发射光束的一侧，即在上沿一侧，凹面镜108的内径大小Ф约为2毫米，则当使用短焦距的透镜来收集光束时，该光束就可能存在不能耦合到光纤的危险，因为到光纤的NA入射很大以致于光束不能被耦合到光纤。另一方面，而为了利用小入射NA的优势而使用长焦距的透镜，就很难使包含光纤的光发送器小型化。
这里，如果凹面镜108被弯曲，光发送器就可以轻微地被小型化，但仍比图21所示的要大。进一步，需要在凹面镜108一部分提供空间用于有线结合LED 103的电极，这使生成过程复杂并加宽了传输效率的变化，以及因此导致耦合到光纤的光的数量的变化。即，根据凹面镜108的位置和形状的精确度，光的方向变化，导致传输效率的变化，这就加宽了耦合到光纤的光的数量的变化。这导致需要增加光发送器的动态范围。同样，基底205需要有其中的凹面镜108，这就导致高的成本。如上所述，在使用凹面镜的光发送器中，在获得光发送器的小型化并降低成本时，无论怎样都很难提高耦合效率。
除了具有凹面镜的光发送器外，还有一种已知的光发送器是具有抛物线形状的镜子用于改善耦合效率，它是在透镜的一侧提供镜子等等。这些光发送器的问题在于增加了组件的数量，从而导致光发送器体积增大，成本增加。
另一方面，一种已知的光发送器具有：(i)其中具有开口的引线框、(ii)具有结合到引线框的发光面以便从发光面发射的光束可穿越开口被耦合到光纤的LED。在引线框的后表面具有LED的这种光发送器中，在与引线框的前表面一侧相对的后表面一侧，即，在提供透镜的一侧进行有线结合。结果是，透镜(或光纤)可被排列到靠近LED而不必考虑为上述有线结合所要求的空间，以便获得相对高的耦合效率。
然而，仅形成通过引线框的开口用于光束穿越该开口并不能使得把具有宽发射角度的光束以有效角度引导到透镜成为可能。因此，使用具有宽发射角度的光束最终还是很难的。
其间，在光发送器中，光发送器生成的热量的消散也是重要的。如果光发送器在热量消散方面很差，发光元件芯片自身的温度就会升高。因此，允许通过发光元件的电流大小受限，且光发送器可以使用的环境受限，使得不可能在温度很高的环境中使用它们，如机动车辆和生产设施。为此，需要减少LED芯片及其周围的组件的热敏电阻。作为减少热敏电阻的一种方法，通过把LED芯片放置在热消散良好的材料的基底上的方法是已知的。然而，这种方法存在一个问题，LED芯片本身的热敏电阻不能减少且会导致光发送器体积增大，成本增加。
另一方面，在图21所示的传统的光发送器101中，其中LED103的表面被模制树脂109覆盖，一个问题是当周围温度变化时，在LED103上会有很大的热应力，因为LED103和模制树脂109间一般出现线性膨胀的大差异。例如，GaAs一般用在线性膨胀约为6ppm/K的红色LED中，而透明模制树脂的材料，如环氧树脂等等的线性膨胀为60ppm/K到65ppm/K，实质上是一列更大的值。为此，有个问题是在车辆安装设备可能遇到的宽的温度变化(例如，从-40°到110°)的环境中，LED103的发光面上应用很大的热应力，以使光发射状态不稳定，或者使LED103破裂，或者是结合线因其与环氧树脂间的线性膨胀不同而破裂。因此，很难获得高的可靠性。
发明内容
本发明是在这些环境中做出的，且本发明的一个目的是提供热消散良好且具有高耦合效率的光发送器。该光发送器也能小型化且以低成本制造，并且能在宽的温度范围内使用和存储。
本发明提供第一光发送器，它包括：具有通孔的基底；被放置在基底的后表面且具有发光部分的发光元件，该通孔有内壁且其内径从基底的后表面一侧向其前表面一侧增加，放置发光元件，以便发光部分暴露在通孔内，发光部分向基底的前表面发射光束，有一通孔，光束穿过通孔而不被反射，并且其他光束从通孔的内壁反射后穿过通孔。
在根据本发明的第一光发送器中，基底有通孔。该通孔有内壁。通孔内径从基底外表面一侧向其内表面一侧增加。因此，从发光部分发射的具有宽的发射角度的光束从通孔的内壁向基底前表面被反射。因此，可有效使用具有宽的发射角度的从发光元件发射的光束用于光耦合到光纤等等，这增加了耦合效率
发光元件被放置在基底的后表面，以便发光部分暴露在通孔内。因此，发光元件的发光部分靠近通孔的内壁。因此，有可能将通孔深度减至最小，该通孔包含在具有宽发射角度的光束向基底前表面的反射中。因此，可实现光发送器的小型化。
基底内形成的通孔引导从发光元件发射的光束。因此，最初用作有线组件的基底也可被用作光组件。因此，可以减少组件的数量并简化生产过程。从而，也能实现光发送器的成本降低。
放置发光元件，以便发光部分暴露在通孔内。因此，作为热生成源的发光部分靠近作为热消散介质的基底。因此，发光元件的热消散得到改善。
附图说明
图1是显示根据本发明的实施例1的光发送器的示意性的结构的示例性的视图；
图2是图1的光发送器中使用的发光元件的平面图；
图3是图2的发光元件的横截面视图；
图4是图1的光发送器的基本部分的放大视图；
图5是根据实施例1的光发送器，在同一张图上与传统的光发送器的比较大小的示例性的视图；
图6是在图1的光发送器的引线框中形成通孔的平面图；
图7是图6的通孔的横截面视图；
图8是显示通孔修改的平面图；
图9是图8的通孔的横截面视图；
图10是通孔的另一个修改的平面图；
图11是图10的通孔的横截面视图；
图12是仍是显示通孔的另一个修改的平面图；
图13是图12的通孔的横截面视图；
图14是显示根据本发明的实施例2的光发送器的示意性的结构的示例性的视图；
图15是根据本发明的实施例3的光发送器的基本部分的放大视图；
图16是根据本发明的实施例4的光发送器的基本部分的放大视图；
图17是详细显示图16的副安装板的后表面一侧的视图；
图18是显示根据本发明的实施例5的光发送器的示意性的结构的示例性的视图；
图19是显示根据本发明的实施例6的照明设备的示意性的结构的示例性的视图；
图20是显示根据本发明的实施例7的照明设备的示意性的结构的示例性的视图；
图21是显示传统的光发送器的示意性的结构的示例性的视图；
图22是显示LED的远场图形的例子的示例性的视图；以及
图23是显示传统的光发送器的示意性的结构的示例性的视图。
具体实施方式
根据本发明的第一光发送器的特征在于，它包含：有通孔的基底、以及放置在基底的后表面并具有发光部分的发光元件、该通孔有内壁且其内径从基底的后表面一侧向其前表面一侧增加，安置发光元件，以便发光部分暴露在通孔内，发光部分向基底的前表面发射光束，这种通孔使部分光束穿出通孔而不被反射，并且其他光束在从通孔内壁被反射后穿出通孔。
在本发明中，术语“发射的光束”指以特定发射角度从发光部分发射的光束。
在根据本发明的第一光发送器中，基底为提供与外部电路连接的引线框。引线框的一个例子将在此后的实施例1中提及。
在根据本发明的第一光发送器中，发光元件可包括在发光部分周围提供的电极，该电极电气连接到基底的后表面。
具有这样的构造，在发光部分周围提供电极，该电极面对面与作为热消散介质基底的后表面接触。因此，发光部分生成的热量很快被传送到基底。这样，发光元件的热消散进一步得到改善。
在根据本发明的第一光发送器中，通孔可包含在基底后表面上提供的第一内壁部分，以及在基底的前表面上提供的第二内壁部分，第一内壁部分的内径向基底前表面逐渐增加，第二内壁部分的内径比第一内壁的内径的最大值还大。具有这种构造，可通过形成具有较大内径的第二内壁部分，然后形成第一内壁部分来形成该通孔。因此，通孔的可处理性得到改善。同样，使用厚基底导致发光元件的热消散得到改善。
在根据本发明的第一光发送器中，通孔的内壁可向内弯曲。具有这种构造，从发光元件发射的光路径可轻易被改变，以便光束实质上垂直从基底发出，而与光束的发射角度无关。因此，耦合效率可进一步得到改善。
在根据本发明的第一光发送器中，基底的厚度可为50到500微米。具有这种构造，可实现光发送器的小型化。因通孔的内壁排列在靠近发光元件的发光部分，故可使用这种薄的基底，以便通孔的深度可被减至最小，该通孔包含在具有宽发射角度的的光束向基底前表面反射中。
根据本发明的第一光发送器可进一步包含排列的辅助基底，以便发光元件夹在辅助基底和基底之间，发光元件在与发光部分相对的后表面有后电极，该后电极电气连接到辅助基底。具有这种构造，发光元件的后电极面对面与辅助基底接触。因此，发光部分生成的热量不仅从发光部分，还从后表面消散。这样，发光元件的热消散进一步得到改善。这里，辅助基底的例子将在此后的实施例3中提及。
根据本发明的第一光发送器可进一步包含在基底的后表面上提供的封装树脂组件，它用于封装发光元件。具有这种构造，发光元件可与外部空气隔离，以便其随时间的降级得到延迟。
在以上提供封装树脂组件的结构中，该封装树脂组件可由树脂组成，该树脂包含用于降低封装树脂组件的线性膨胀且用于提高其导热性的填充物。具有这种构造，其中树脂内包含构成封装树脂组件的填充物，该树脂的线性膨胀和导热性可被轻易改变，以减少发光元件上的热应力并改善发光元件的热消散。同样，在除光学元件的光路径以外的区域提供封装树脂组件，这样热应力和热消散都可得到改善而不会损坏光学属性。
根据本发明的第一光发送器可进一步包含填充通孔并覆盖发光元件的发光面的透明树脂。具有这种构造，其中发光元件的发光面被透明树脂所覆盖，因为此后在实施例1中提及的原因，可从发光元件中取出增加数量的光束。进一步，发光面可与外部空气隔离，以便其随时间的降级得到延迟。
在上述通孔内填充透明树脂的结构中，第一光发送器可进一步包含由填充通孔的透明树脂所粘合的透镜，以便该透镜面向基底的通孔。
在上述通孔内填充透明树脂的结构中，根据JIS-A，透明树脂优选的硬度为50度或更低。具有这种构造，其中透明树脂具有弹性，发光元件上的热应力可降低，以便第一光发送器可在宽的温度范围内使用。如果提供透镜，透镜上的热应力可降低，以便第一光发送器可在宽的温度范围内使用。
根据本发明的第一光发送器可进一步包含在基底前表面提供的光传输树脂组件，以用于填充通孔，该光传输树脂组件具有作为其一部分形成的透镜，用于收集从发光元件发射的光线。具有这种构造，因为此后在实施例1中提及的原因，可从发光元件中取出增加数量的光束。
在基底的前表面提供光传输树脂组件的结构中，该基底有在其前表面形成的树脂注射凹槽，该树脂注射凹槽与通孔连通，用于在形成光传输树脂组件时，方便光传输树脂到通孔的流动。
在另一方面，本发明提供了第二光发送器，它包含：具有开口的基底；附属于基底且具有通孔的副安装板；以及放置在副安装板的后表面且具有发光部分的发光元件，该通孔具有内壁且其内径从副安装板的后表面向其前表面增加，放置该发光元件，以便发光部分暴露在通孔内，发光部分向基底的开口发射光束，该通孔使部分光束穿出该通孔进入基底的开口而不被反射，并且其他光束在从通孔内壁被反射后，从通孔穿出进入基底的开口。
根据本发明的第二光发送器提供的作用与第一光发送器中在基底形成通孔所获得的作用相同。与该基底不同的是，如果副安装板尺寸能使发光元件放置在上面，则该副安装板可满足这点，以便为此副安装板的材料的数量可以减少。因此，即使为此副安装板使用昂贵的材料，也不会严重影响成本，反而能够进一步改善发光元件的热消散。
在根据本发明的第二光发送器中，副安装板和发光元件间的线性膨胀间的差异可设定的比基底和发光元件间的线性膨胀的差异小。具有这种构造，发光元件被排列到靠近线性膨胀类似于发光元件的副安装板。结果是，副安装板上的热应力减少，因此可在宽的温度范围内使用第一光发送器。
在根据本发明的第二光发送器中，副安装板由硅制成，各向异性地蚀刻硅以形成通孔。具有这种构造，在内壁提供通孔，它具有极好的平面准确度并因此具有极好的反射性能。
在根据本发明的第二光发送器中，基底可以是用于提供连接到外部电路的引线框。
在根据本发明的第二光发送器中，发光元件包括发光部分周围提供的电极，该电极电气连接到副安装板的后表面。具有这种构造，其中在发光部分周围提供电极，该电极面对面与作为热消散介质的副安装板的后表面接触。因此，发光部分生成的热量可以很快被传送至副安装板。因此，发光元件的热消散进一步得到改善。
在根据本发明的第二光发送器中，其中该通孔包含在副安装板的后表面一侧提供的第一内壁部分和在副安装板的前表面一侧提供的第二内壁部分，第一内壁部分的内径向副安装板的前表面逐渐增加，第二内壁部分的内径比第一内径部分的内径的最大值大。具有这种构造，可通过形成具有较大内径的第二内壁部分，然后形成第一内壁部分来形成通孔。因此，该通孔的可处理性得到改善。还有，通过使用厚的副安装板，发光元件的热消散得到改善。
在根据本发明的第二光发送器中，通孔的内壁可向内弯曲。具有这种构造，从发光元件发射的光束的光路径可被轻易改变，以便光束实质上垂直地从基底发出，而与该光束的发射角度无关。因此，耦合效率得到进一步提高。
根据本发明的第二光发送器中，副安装板厚度为50到500微米。具有这种构造，可实现光发送器的小型化。为何可以使用这种薄的副安装板的原因与其中在基底形成通孔的第一光发送器的情况相同。
根据本发明的第二光发送器可进一步包含排列的辅助基底，以便发光元件夹在辅助基底和副安装板之间，发光元件在其与发光部分相对的后表面有后电极，该后电极电气连接到辅助基底。具有这种构造，发光元件的后电极面对面与辅助基底接触。因此，发光部分生成的热量不仅从发光部分，而且从后表面消散。这样，发光元件的热消散进一步得到改善。
根据本发明的第二光发送器可进一步包含在基底的后表面一侧提供的封装树脂组件，用于封装副安装板和发光元件。具有这种构造，发光元件和副安装板可与外部空气隔离，以便其随时间的降级得到延迟。
在提供封装树脂组件的上述结构中，封装树脂组件可由树脂制成，该树脂包含用于降低封装树脂组件的线性膨胀及用于提出其导热性的填充物。具有这种构造，其中树脂内包含填充物，这就形成了封装树脂组件，该树脂的线性膨胀和导热性可被轻易改变，以便减少发光元件和副安装板上的热应力，以改善发光元件和副安装板的热消散。同样，在光学元件除光路径以外的区域提供封装树脂组件，以便热应力和热消散得到改善而不会损坏光学属性。
根据本发明的第二光发送器可进一步包含在通孔和开口内填充并覆盖发光元件的发光面的透明树脂。具有这种构造，其中发光元件的发光面被透明树脂所覆盖，由于此后在实施例中提及的原因，可从发光元件中取出增加数量的光束。而且，该发光面可与外部空气隔离，以便其随时间的降级得到延迟。
在通孔和开口内填充透明树脂的上述结构中，第二光发送器可进一步包含由填充到通孔和开口的透明树脂粘合的透镜，以便该透镜面向基底的开口。
在通孔和开口内填充透明树脂的上述结构中，根据JIS-A，透明树脂的硬度优选为50度或更低。具有这种构造，其中透明树脂具有弹性，发光元件上的热应力减少，以便可在宽的温度范围内使用第二光发送器。如果提供透镜，透镜上的热应力减少，以便可在宽的温度范围内使用第二光发送器。
根据本发明的第二光发送器可进一步包含在基底的前表面一侧提供的光传输树脂组件，以便用于填充通孔和开口，该光传输树脂组件有作为其一部分的透镜，用于收集从发光元件发射的光束。具有这种构造，由于此后在实施例1中提及的原因，可从发光元件中取出增加数量的光束。
在基底前表面一侧提供光传输树脂组件的结构中，该基底具有在其前表面形成的树脂注射凹槽，该树脂注射凹槽与开口连通以便于在光传输树脂组件形成时，光传输树脂进入开口以及与之连通的通孔的流动。
仍在另一个方面，本发明提供第三光发送器，它包含：具有第一通孔的基底；附属于该基底并具有第二通孔的副安装板；以及放置在该副安装板的后表面并具有发光部分的发光元件，第一通孔具有内壁且其内径从基底的后表面一侧向其前表面一侧增加，第二通孔具有内壁且其内径从副安装板的后表面一侧向其前表面一侧增加，放置发光元件，以便发光部分暴露在第二通孔内，该发光部分向基底的前表面发射光束，第一通孔和第二通孔使得部分光束从第一通孔中穿出而未被反射，以及其他光束在从基底内壁和副安装板内壁的至少一个反射后穿出第一通孔。
根据本发明的第三光发送器提供了与第一光发送器相同的效果，其中只在基底形成通孔，或者与第二光发送器获得的效果相同，其中只在副安装板形成通孔。特别因为这两个通孔可有不同的形状，根据发光元件的发射模式任意选择每个通孔的形状使获得传输效率得到进一步提高的效果成为可能。在根据本发明的第三光发送器中，第一通孔与第二通孔连通，并且更为优选地，第一通孔最小内径与第二通孔的最大内径相同或稍大。
在根据本发明的第三光发送器中，副安装板和发光元件间的线性膨胀可被设定得比基底和发光元件间的线性膨胀小。具有这种构造，发光元件被排列靠近副安装板，该副安装板的线性膨胀与发光元件的线性膨胀类似。结果是，副安装板上产生的热应力减小，以便可在宽的温度范围内使用第一光发送器。
在根据本发明的第三光发送器中，第一通孔的内壁和发光元件的光轴间形成的角度可设定得比第二通孔的内壁和发光元件的光轴间形成的角度小。具有这种构造，在第二通孔的内壁上应用从发光部分发射的具有宽的发射角度的光束，而在第一通孔的内壁上应用从发光部分发射的具有窄的发射角度的光束。通过把第一通孔的内壁和发光元件的光轴间形成的角度设定得比第二通孔的内壁和发光元件的光轴间形成的角度小，从发光元件发射的具有宽和窄的发射角度的光束的光路径都可被垂直地改变，而与发光元件的发光面有关。因此，可获得高的传输效率。
在根据本发明的第三光发送器中，副安装板由硅制成，各向异性地蚀刻硅以形成通孔。具有这种构造，在内壁提供副安装板，它具有极好的平面准确度并因此具有极好的反射性能。
在根据本发明的第三光发送器中，发光元件可包括在发光部分周围提供的电极，该电极电气连接到副安装板的后表面。具有这种构造，其中在发光部分周围提供电极，该电极面对面与作为热消散介质的副安装板的后表面接触。因此，发光部分生成的热量可以很快被传送至副安装板。因此，发光元件的热消散进一步得到改善。
在根据本发明的第三光发送器中，基底可以是用于提供到外部电路连接的引线框。
在根据本发明的第三光发送器中，第一通孔可包含在基底的后表面一侧提供的第一内壁部分和在基底的前表面一侧提供的第二内壁部分，第一内壁部分的内径向基底的前表面逐渐增加，第二内壁部分的内径比第一内壁部分的内径的最大值大。具有这种构造，可通过形成具有较大内径的第二内壁部分，然后形成第一内壁部分来形成第一通孔。因此，该第一通孔的可处理性得到改善。同样，通过使用厚的基底，发光元件的热消散得到改善。
在根据本发明的第三光发送器中，第二通孔可包含在副安装板的后表面一侧提供的第一内壁部分和在副安装板的前表面一侧提供的第二内壁部分，第一内壁部分的内径向副安装板的前表面逐渐增加，第二内壁部分的内径比第一内壁部分的内径的最大值大。具有这种构造，可通过形成具有较大内径的第二内壁部分，然后形成第一内壁部分来形成第二通孔。因此，该第二通孔的可处理性得到改善。同样，通过使用厚的副安装板，发光元件的热消散得到改善。
在根据本发明的第三光发送器中，第一通孔和第二通孔的内壁可以向内弯曲。具有这种构造，从发光元件发射光束的光路径可轻易被改变，以便光束实质上垂直从基底发出，而与光束的发射角度无关。因此，耦合效率可进一步得到改善。
在根据本发明的第三光发送器中，基底和副安装板的厚度可为50到500微米。具有这种构造，可实现光发送器的小型化。为何可以使用这种薄的副安装板和基底的原因与其中在基底形成通孔的第一光发送器的情况相同。
根据本发明的第三光发送器可进一步包含排列的辅助基底，以便发光元件夹在辅助基底和副安装板之间，发光元件在相对其发光部分相对的后表面有后电极，该后电极电气连接到辅助基底。具有这种构造，发光元件的后电极面对面与辅助基底接触。因此，发光部分生成的热量不仅从发光部分，还从后表面消散。这样，发光元件的热消散进一步得到改善。
根据本发明的第三光发送器可进一步包含在基底的后表面上提供的封装树脂组件，它用于封装副安装板和发光元件。具有这种构造，发光元件和副安装板可与外部空气隔离，以便其随时间的降级得到延迟。
在以上提供封装树脂组件的结构中，该封装树脂组件可由树脂组成，该树脂包含用于降低封装树脂组件的线性膨胀且用于提高其导热性的填充物。具有这种构造，其中树脂内包含构成封装树脂组件的填充物，该树脂的线性膨胀和导热性可被轻易改变，以减少发光元件和副安装板上产生的热应力并改善发光元件和副安装板的热消散。同样，在除光学元件的光路径以外的区域提供封装树脂组件，这样热应力和热消散都可得到改善，而不会损坏光学属性。
根据本发明的第三光发送器可进一步包含填充第一通孔和第二通孔并覆盖发光元件的发光面的透明树脂。具有这种构造，其中发光元件的发光面被透明树脂所覆盖，因为此后在实施例1中提及的原因，可从发光元件中取出增加数量的光束。进一步，发光面可与外部空气隔离，以便其随时间的降级得到延迟。
在以上提供透明树脂的结构中，第三光发送器可进一步包含由填充在第一通孔和第二通孔内的透明树脂粘合的透镜，以便该透镜面向基底的第一通孔。
在以上提供透明树脂的结构中，根据JIS-A，透明树脂优选的硬度为50度或更低。具有这种构造，其中透明树脂具有弹性，发光元件上产生的热应力降低，以便第一光发送器可在宽的温度范围内使用。如果提供透镜，透镜上产生的热应力降低，以便第一光发送器可在宽的温度范围内使用。
根据本发明的第三光发送器可进一步包含在基底前表面提供的光传输树脂组件，以便其填充第一通孔和第二通孔，该光传输树脂组件具有作为其一部分形成的镜头，用于收集从发光元件发射的光束。具有这种构造，因为此后在实施例1中提及的原因，可从发光元件中取出增加数量的光束。
在基底的前表面提供光传输树脂组件的上述结构中，该基底有在其前表面形成的树脂注射凹槽，该树脂注射凹槽与第一通孔连通，在形成光传输树脂组件时，方便光传输树脂进入到第一通孔和第二通孔相互连通的流动。
还有另一方面，本发明提供了包含多个并排排列的光发送器的照明设备，每个光发送器入以上所提出的。
其后，本发明的实施例将参考附图详细显示。在这些实施例中，相同的参考数字表示具有相同功能的组件。
实施例1
图1是显示根据本发明的实施例1的光发送器的示意性的结构的示例性的视图。
光发送器1包含发光元件3、透镜4和放置在发光元件3上的引线框(基底)5。
引线框5具有在面对发光元件3的发光面(发光部分)6的位置上形成的通孔7。通孔7为锥形，以致其内径从后表面一侧逐渐增加，其中向前表面一侧放置发光元件3。锥形通孔7有一叫做锥形镜8的内壁。
从发光元件3发射的具有窄的发射角度的光束穿越通孔7并进入透镜4以被折射且耦合到光纤2。另一方面，从发光元件3发射的具有宽的发射角度光束从锥形镜8被反射并进入透镜4以被折射且耦合到光纤2。
因此，例如，即使使用具有宽的发射角度的LED作为发光元件3，也有可能高效率地把来自发光元件3的光纤耦合到光纤2。
安置发光元件3，以便其发光面6面向引线框5的通孔7，且由导电粘合剂，如银的粘贴(paste)或金和锡或其他物质的合金结合至引线框5。
即，发光面6一侧上的发光元件3的电极(参见，例如图3的p电极)电气地与电路基底连续，未示出。
发光元件3被模制树脂(光传输树脂组件)9所覆盖，该模制树脂由例如，环氧树脂或丙烯酸树脂制成。透镜4也由模制树脂9形成。
同样，除发光元件3以外，用于驱动发光元件3的驱动器IC(未示出)等等被放置在引线框5上且也被封装在模制树脂9内。
如果发光元件3是具有相对宽的发射角度的元件，如LED，则发光元件3优选地被模制树脂9覆盖，如图1所示。
来自发光元件3的光束在被发射前，因发光元件3与外界(空气或模制树脂9)的折射系数不同而被反射。因此，当发光元件3被模制树脂9覆盖时与被折射系数更小的空气相比，可以取出增加数量的光束。这是因为当发光元件3被模制树脂9所覆盖时，发生全反射时的角度更大。
例如，从1到1.56改变外界的折射系数，从发光元件3的光束的数量可增加大约2.4倍(fold)。因此，用模制树脂覆盖发光元件3增加了光束的实用效率。同样，将发光元件3和驱动器IC和其他组件与外界屏蔽，使得它们随时间的降级得到延迟成为可能。
发光元件2优选为表面发射类型的发光二极管(LED)。图2和图3显示传统的双向异性结构的LED。
如图3所示，n电极11在由GaAs等等制成的n型基底10的较低表面上形成。在n型基底10上，依次形成n型镀层12、活性层13、p型镀层14和p电极15。
如图2和图3所示，在p电极15中，形成一开口，发光面6从中暴露，且光束从发光面6发射。
根据要求的波长和特性逐个任意选择发光元件3的结构和材料。以下作为前提说明。发光元件3为图2和图3显示结构的LED。然而，无需多说，本发明也可以使用另一种结构的发光元件3来实现。
本发明的一个特征是引线框5中的通孔7有锥形镜8，用于从引线框5的表面引出具有宽的发射角度的光束。锥形镜8可能使光发送器1小型化并降低成本，而且也对增加光传输效率、减少光发传输效率的变化并改善发光元件3是热消散作出贡献。其后，将对这些效果作出说明。
参考图1，图4和图5，根据实施例1的光发送器1的大小与图23用于说明的传统的光发送器的大小进行比较。图4是图1的光发送器的基本部分的放大视图。图5是在同一张图上比较根据实施例1的光发送器与图23所示的传统的光发送器201的大小的示例性的视图。图5中，传统的光发送器201由虚线表示。
正如前述，在图23显示的传统的光发送器201中，假设：LED103是高为300微米、宽为300微米的立方体形；凹面镜108的锥角θ为60°；并且凹面部分在其底面一侧的内径为Ф500微米，该凹面部分需要约为1.3毫米的深度T0且在上沿一侧的内径R0为2毫米，以使凹面镜108改变具有发射角度为45°或更宽的光束、以及从LED103的发光面106的中心发射的光束的光路径。
另一方面，在根据图1所示的实施例1的光发送器1中，如果假设通孔7在其后表面一侧的内径大约为Ф100微米，且其他条件与图23所示的现有技术的条件相同，进行计算会发现，如图4所示，对应于现有技术的凹面部分的深度T0(参见图23)的引线框5的厚度T1为0.12毫米，并且对应于现有技术的上沿的内径R0(参见图23)的通孔7在其前表面一侧的内径R1约为0.24毫米。因此，本发明与现有技术相比，厚度和大小均减小到大约1/10。
从图5可清楚看出，根据实施例1，其中通孔7在其前表面的内径R1可小至0.24毫米，用于收集光纤上的光束的透镜4(参见图1)也可以减小直径。
因此，透镜4有很高的设计自由度，很容易获得具有理想性能的透镜4，它能把从通孔7的前表面引出的光束高效率地耦合到光纤2。
同样，引线框5通常厚度为0.25毫米，以便光发送器1与图21所示的由传递模型产生的光发送器101大小相同。
另一方面，图23所示的传统的光发送器201，其中其上沿一侧上的凹面部分的内径R0约为Ф2毫米，会产生这种可能：使用短焦距的透镜导致光束不能被耦合到光纤内，因为到光纤的NA入射太大，而为了利用小的入射NA的优点而使用长焦距的透镜，就很难使包含光纤的光发送器小型化。因此，很难在实现光发送器的小型化并降低成本的同时增加耦合效率。
进一步，还有一个问题是需要在凹面镜108的一部分为有线结合LED103的电极提供空间，这就使生产过程复杂。
与之相反，根据本发明，其中有意把锥形镜8排列到靠近发光面7，并提供具有锥形镜8的引线框5，这就有可能提高光发送器1的传输效率和小型化
根据本发明，在增加从发光元件3到光纤2的耦合效率的同时，有可能实现光发送器1的小型化，这在传统上是很难的。
在根据实施例1的光发送器1中，通过同时蚀刻或按压引线框5的图形处理，可以形成通孔7而不会产生成本的增加。因此，可以低成本获得光发送器
这里，形成用于安置有关彼此的发光元件3、透镜4和光纤2的参考孔(未示出)，同时形成通孔7是优选的。通过使用该参考孔作为装配光发送器1的参考，有可能安置有关彼此的通孔7、发光元件3、透镜4和光纤2。
接着，对通孔7做出说明。在后表面一侧的引线框5的通孔7的内径优选的为稍大于或稍小于发光元件3的发光面的直径。通孔7的内径大于还是小于取决于是否指定较高的优先级，以增加传输效率或减少传输效率的变化。
如果指定了较高的优先级，以增加传输效率，优选的是使后表面一侧的通孔7的内径稍大于发光元件3的发光面6的直径。例如，如果发光面6的直径为Ф70微米，则后表面一侧上的通孔7的内径被设定为大约100微米。因此，确保即使发光元件3离开有关通孔7的位置，从发光面6发射的光束不会被引线框5反冲(kick)，以便所有从发光面6发射的光束都能得到利用。
另一方面，如果分配了较高的优先级，以减少传输效率的变化，优选的是使后表面一侧的通孔7的内径稍小于发光元件3的发光面6的直径。例如，如果发光面的直径Ф为70微米，则后表面一侧上的通孔7的内径被设定为大约50微米。这确保即使发光元件3离开位置，穿越通孔7的光束的数量也很少变化，以便减小传输效率的变化。
同样，在根据实施例1的光发送器1中，锥形镜8可被排列得比图23所示的传统的光发送器更靠近发光面6。这确保即使发光元件3离开位置，发出光束的该位置很少变化，以便光束耦合到透镜4和光纤2的效率的变化能减小
通孔7的形状的一些例子将在图6到图13显示。
图6和图7显示的通孔7，与图1显示的相同，具有线性横截面的锥形镜8。
线性横截面的锥形镜8容易处理并确保从发光元件3发射即使是具有宽的发射角度的光束也能被轻易改变。
这里，锥角θ(参见图4)优选为40°到80°，以适合从发光元件3发射的光束的远场图形。根据所使用的发光元件3发射的光束的远场图形来决定最佳的锥角。
进一步，锥角8优选为图8和图9所示的弯曲的横截面(即凹面)。
例如，如果抛物线形状横截面的锥形镜8和发光面6被安排到抛物线的焦点，则有可能把从发光元件3发射的光束的光路径改变为关于引线框5实质上垂直，而与光束的发射角度无关。例如，可通过从一侧蚀刻引线框5来获得这种弯曲的形状。
同样，通孔7优选为图10和图11所示的形状。即，优选的通孔7包括引线框5的后表面上的锥形镜(第一内壁)部分8，和引线框5的前表面上的放大的孔(第二内壁)部分17。锥形镜8的内径向引线框5的前表面逐渐增加。放大的孔部分17的内径比锥形镜部分8的内径的最大值大。
在图10和图11显示的通孔7中，放大的孔部分17具有改善发光元件3的热消散并改善锥形镜8的可处理性的效果。
即，如果引线框5的厚度比后表面一侧的通孔7的内径大得多，如上述的约为100微米，就很难处理通孔7。相反，随着引线框5的厚度变得更大，在发光元件3和用于驱动发光元件3的驱动器IC的热消散方面就更有优势。
因此，通过在引线框5的前表面形成放大的孔部分17，就方便了锥形镜部分8的处理，且允许引线框5具有更大的厚度，导致热消散的改善。不受光束照射的放大的孔部分17不具有任何光学作用。
优选的是在引线框5的前表面形成树脂注射凹槽18，这种方式下，树脂注射凹槽18与通孔7连通，如图12和图13所示。
即，形成树脂注射凹槽18消除了使树脂流入通孔7引起的困难，树脂流入通孔7中用于如图1所示的模制树脂的模型封装。因此，确保了模型封装。图10和图11显示的放大的孔部分17提供的效果与树脂注射凹槽18获得的效果相同。
进一步，优选设定引线框5的厚度和锥角，以便光束只从锥形镜8中反射一次。在所谓的光波导管等等使用多个反射的情况下，因为反射而产生更大的损失，并且长度(等于引线框5的厚度)增加，导致设备体积增大。
根据本发明，如上所述，可以多种方式改变通孔7的形状，尽管通孔7的深度优选地设定为50到500微米。
即，根据本发明，因为锥形镜8可被安排的靠近发光面6，则即使通孔7的深度很小，也能确保通孔7在改变具有宽的发射角度的光束的光路径方面有足够的效果。
同样，当从引线框5的前表面或后表面看去，通孔7并不需为圆形，也可为椭圆形或正方形。例如，如果来自发光元件3的光束的远场图形存在失真，则通孔7的形状为非圆形是有利的。
根据本发明，如上所述，发光元件3被放置在引线框5的后表面一侧。通孔7基本是锥形横截面，以便其内径从引线框的后表面向其前表面逐渐增加。
同样，后表面一侧的通孔7的内径设定得比发光元件3的芯片的尺寸小。因为当与发光元件3的芯片的尺寸相比，通孔7的内径减少，则发光元件3和引线框5间的接触面积增加。
改善发光元件3的热消散是重要的，因此放置发光元件3以便发光面7面向引线框5，且发光元件3和引线框5间有大的接触面积。
即，当使用图2和图3所示的LED作为发光元件3时，n型基底10的热敏电阻就成为一个问题。
如果热量从LED的后表面一侧(n电极11一侧)消散，则活性层13生成的热量通过n型基底10并进一步通过n电极11消散到引线框5等等，它们每个都由具有良好的热消散的材料制成。
因为n型基底10通常由具有高的热敏电阻的材料，如GaAs制成，则LED本身在热消散方面较差，导致活性层13的温度升高。
相反，在本发明中，其中发光面7面向引线框5，活性层13生成的热量可通过p型镀层14，然后通过p电极15消散到引线框5中。当比较导热性，例如，GaAs为45W/m·K，引线框5(铜)的导热性很高，约为360W/m·K。进一步，因为p型镀层14和p电极15的每个的厚度约为数微米，当与通过厚度为数百微米的n型基底10进行热消散相比时，热消散显著得到改善。
发光元件3和引线框5优选地通过，例如，具有高传导率的粘合剂，如银的粘贴(paste)或金和锡或其他物质的合金结合在一起。同样，在具有高传导率的粘合剂中，更为优选的是那些确保与具有高导热性的材料或与薄层形式的材料有足够的热接触的粘合剂，也是那些吸收引线框5和发光元件3间线性膨胀的不同的粘合剂。
这里，有必要避免粘合剂粘贴到发光元件3的发光面6。可预先在发光元件除发光面6以外的区域上由照相平版或另一种技术形成粘合剂的薄层，以便避免粘合剂与发光面6的粘附作用。或者，如果使用金和锡或其他材料的合金，可通过把引线框5的表面镀金并在发光元件3的p电极15上形成金-锡薄膜把发光元件3和引线框5结合在一起，紧接着是热压缩结合。
其后，将对每个组件做出说明。
光纤2优选为多模光纤，如塑胶光纤(POF：聚合体光纤)或石英玻璃光纤(GOF：玻璃光纤)。
POF的核心由具有极好的光传输特性的塑料，如PMMA(有机玻璃)或聚碳酸酯制成，并且其中的镀层由折射系数低于核心的塑料的塑料制成。
POF中，比在GOF中更容易增加核心的直径，从大约200微米到1毫米，因此更容易调整与光发送器的耦合。从而，有可能获得并不昂贵的光通信链接
或者，光纤2可为PCF(聚合体镀层光纤)，其中核心由石英玻璃制成且镀层由聚合体制成。
另一方面，GOF比POF更昂贵，尽管GOF与POF相比满足了较小的传输损失并提供更宽的传输波段。因此，如果使用GOF作为传输介质，有可能获得提供较长距离传输和较高速度传输的光通信链接。
发光元件3为表面发射类型，且为发光二极管(LED)、表面发射激光(VCSEL)等等。
发光元件3的波长优选地为产生进入所用的光纤2的较小的光束传输损失的波长。
例如，如果使用POF作为光纤2，发光元件3的波长大约为650纳米，而如果使用GOF作为光纤2，发光元件3的波长大约为850纳米。
通过在金属薄板内形成通孔7来获得引线框5，该金属具有高的导热性，如通过蚀刻、挤压或切割，然后用银、金等等镀其表面以获得高反射的铜或磷青铜。
这里，引线框5意思是放置在组件上，如发光元件3和驱动器IC，并支持它的金属薄板，且起到传送电流到每个组件的作用。当然，引线框5可被各种基底，如管座(stem)和印刷底板替代。
实施例2
根据实施例2并参考图14的说明给出的光发送器是对根据实施例1的以上光发送器的修改。图14是显示根据实施例2的光发送器的示意性的结构的示例性的视图。
如图1 4所示，在根据实施例2的光发送器21中，透镜4不是由模制树脂(封装树脂组件)9形成。模制树脂9只覆盖放置发光元件3的引线框5的后表面。发光元件3和驱动器IC19被封装在模制树脂9中，且与外部空气隔离。发光元件3和驱动器IC19用结合线33(尽管实际上有多根结合线33，图中省略)电气连接在一起。
透镜4为由玻璃、环氧树脂等等制成的球形透镜。作为透镜4的球形透镜关于引线框5的通孔7被安置，并由粘合剂(透明树脂)16粘合到那里。
粘合剂16由在发光元件3的波长范围内具有透明度的材料制成。粘合剂16填充到通孔7中并覆盖发光元件3的发光面。因为通孔7被粘合剂16填充，则当与空气覆盖通孔的情况相比，折射就增加了，以便增加数量的光束可从发光元件3中取出。
粘合剂16优选地由具有弹性的材料制成。引线框5由金属，如铜制成，并因此在线性膨胀方面一般与粘合剂16非常不同。因此，如果周围温度改变，粘合剂16和引线框5以及发光元件3和粘合剂16的界面上产生大的热应力，粘合剂16轻易地就脱离了。通过使用，例如有弹性的材料(即，有低的杨氏模量的材料)，如硅制成的粘合剂16，热应力可减小以防止粘合剂16脱离。因为粘合剂16的弹性，根据JIS-A，粘合剂16优选的硬度为50度或更低。或者，粘合剂16优选地杨氏模量为10Mpa或更低。
进一步，透镜4优选地由具有弹性的粘合剂16结合。尽管透镜4上因环境温度的变化也会产生热应力，但粘合剂16的弹性可减少热应力，以使透镜4很难脱离。
同样，模制树脂9不需要透明，且例如，具有高导热性的材料、线性膨胀与发光元件3和结合线33类似的材料、还有并不昂贵的材料都可以使用。透明的模制树脂(环氧树脂的情况下，一般线性膨胀为：60到65ppm/K，导热性：约为0.2W/m·K)的线性膨胀大于发光元件3(在GaAs的情况下，线性膨胀：6ppm/K)，且大于结合线(在金的情况下，线性膨胀：约为14ppm/K)。因此，发光元件3和结合线33上产生大的热应力。为此，用于铸型的树脂优选地为包含具有低的线性膨胀填充物的树脂，如硅石。这种树脂可为黑色树脂(线性膨胀：15到20ppm/K，导热性：约为0.7W/m·K)，它一般用于不要求光学属性的IC的包装上。一般使用这种树脂并因此获得低成本。根据本发明，发光元件3和结合线33以及模制树脂9每个之间在线性膨胀中的不同可被显著减小，以便发光元件3和结合线33上产生的热应力减小。因为包含填充物，树脂本身的导热性因发光元件3和驱动器IC19的热消散也得到改善这一结果而增加。因此，光发送器1的功能和可靠性可进一步得到改善，且其成本进一步减少。例如，可以防止因引线框5和模制树脂9的线性膨胀不同而导致的电线的破裂。
实施例3
根据实施例3并参考图15的说明给出的光发送器是对根据实施例1的上光发送器的另一个修改。图15是根据实施例3的光发送器的基本部分的放大视图。
如图15所示，在根据实施例3的光发送器31中，通孔7的形状如图10和图11所示。
从发光元件发射的光束从锥形镜部分8反射，不在放大的孔部分17的内壁上使用，以便改变光束的光路径。
如上所述，这种构造允许引线框5的厚度增加，以便热消散得到改善，且进一步地，可获得模制树脂(光传输树脂组件)9或粘合剂(透明树脂)16轻易流入通孔7的效果。
同样，发光元件3在其相对于发光面6的后表面具有电极(参见图3的n电极11)，该电极通过导电粘合剂，如银的粘贴，粘接到后电极基底(辅助基底)。
引线框5和后电极基底22每个都电气连接到电路，未示出，用于发光元件3的开/关控制。
后电极基底22由具有高导热性的金属，如铝、铜或磷青铜制成。
即，发光元件3并未被延长组件，如电线电气连接。相反，在发光面6一侧上发光元件3的电极(参见图3的p电极15)和其后表面一侧的电极分别面对面接触引线框5和后电极基底22。因此，发光元件3生成的热量可被有效消散，显著地改善了热消散。
在实施例3中，如实施例1中的情况，在引线框5的前表面一侧提供模制树脂(光传输树脂组件)，以便其填充到通孔7和放大的孔部分17中，并作为该模制树脂的整体部分形成透镜。或者如实施例2，粘合剂(透明树脂)可填充至通孔7和放大的孔部分17，并覆盖发光元件3的发光面6以粘合透镜，以便透镜面向放大的孔部分17。
实施例4
根据实施例4并参考图16的说明给出的光发送器是对根据实施例1的以上述光发送器的又一个修改。图16是根据本发明的实施例4的光发送器的基本部分的放大视图。
如图16所示，在根据实施例4的光发送器41中，发光元件3被放置在副安装板24内，以便副安装板24插入发光元件3和第二基底25之间。
副安装板24有类似于通过实施例1中的引线框5形成的通孔7和锥形镜8。安置发光元件3，以便其发光面6面向通孔7，且被放置在副安装板24的后表面。
第二基底25有比副安装板24的通孔大的光发射孔(开口)26。副安装板24的通孔与第二基底25的光发射孔连通。
副安装板24具有与引线框5相同的作用，并能因锥形镜8的功能而改善光传输效率。
这种构造允许具有锥形镜8的组件的大小，即副安装板24的大小保持得稍大于发光元件3。因此，即使副安装板24使用贵重的材料，也不会对成本产生显著影响。
即，副安装板24的材料可没有约束并不必考虑成本地选择。因此，通过使用，例如，具有高导热性的或者具有高可处理性的材料，有可能进一步轻易地改善光发送器41的性能和可靠性。
通过各向异性的蚀刻处理单晶硅的基底优选地获得副安装板24。
例如，通过用KOH(钾氢氧化物)蚀刻单晶硅a(100)平面获得角度为54.74°的平面A(111)作为具有精确角度的平滑平面。
即，通过处理引线框5获得的锥形镜8(参见图4)在处理准确性、平面准确性、以及作为反射面的性能方面次于通过处理单晶硅获得的锥形镜8。
因此，通过使用能提供高处理精确性的材料，如单晶硅作为副安装板24，有可能获得具有高准确性的锥形镜8，而不会导致成本升高。
如果使用单晶硅作为副安装板24，通孔7成形在四角形棱锥内。除Si以外的SiC、AIN等等都可被用于副安装板24。
如果副安装板24是非导电材料，则通过沉积作用等等在副安装板24的后表面上形成金属电极，如铝(未示出)。该电极结合到在发光元件3的发光面6周围形成的电极(参见图3的p电极)，以便在电极之间建立导电关系。或者，副安装板24可结合到第二基底25，以便在其间建立导电关系。
副安装板24和发光元件3在线性膨胀方面的差异优选地设定为小于第二基底25和发光元件3在线性膨胀方面的差异。一般地，由铜等等制成的引线框5和由GaAs等等制成的发光元件3在线性膨胀方面的显著差异能导致因周围温度变化的热应力，使发光元件的光发射状态不稳定。通过选择线性膨胀很少不同于发光元件3的作为副安装板24的材料，可减少热应力，因此确保宽的温度范围内的稳定性能。例如，优选地使用Si(线性膨胀：大约为3ppm/K)作为副安装板24，如果使用铜(线性膨胀：大约为18ppm/K)作为第二底板25，且使用GaAs(线性膨胀：大约为6ppm/K)作为发光元件3。如上所述，Si的使用也方便了通孔7的处理。
图17显示副安装板24的后表面一侧(放置发光元件的一侧)的例子。通过围绕通孔7的外围进行摹制(patterning)形成金-锡薄膜34。金-锡薄膜34相对于金包含20％到30％重量的锡。另一方面，发光元件3的p电极15(参见图2和图3)由金的薄膜形成。通过关于发光元件3的发光面6安置通孔7，紧接着在施压时进行加热，金-锡薄膜34和p电极15被迫形成金和锡的合金，以便发光元件3结合到副安装板24。发光元件3在图17中用虚线表示。第一电极35电气连接到金-锡薄膜34，也通过结合线33连接到第二基底25。另一方面，第二电极36在发光元件3的后表面一侧通过结合线33连接到发光元件3的n电极，也通过结合线联接到第二基底25。因此，发光元件3通过副安装板24电气连接到第二基底25。
在实施例4中，如实施例1中的情况，在第二基底25的前表面一侧提供模制树脂(光传输树脂组件)，便于被填充到光发射孔26和通孔7中，并作为该模制树脂的整体部分形成透镜。或者，如实施例2的情况，粘合剂可填充至光发射孔26和通孔7以结合透镜，以便透镜面向光发射孔26。
实施例5
根据实施例5并参考图18的说明给出的光发送器是对根据实施例1的上述光发送器的再一个修改。图18是显示根据实施例5的光发送器的示意性的结构的示例性的视图。
如图18所示，在根据实施例5的光发送器51中，发光元件3被放置在副安装板24上，以便副安装板24插入发光元件3和第三基底27之间。副安装板24有如实施例4的情况中的第二镜子32提供的第二通孔29。第三基底27也有如实施例1的情况的第一镜子31提供的第一通孔28。安置发光元件3，以便其发光面6面向第二通孔29，且被放置在副安装板24的后表面。副安装板24的第二通孔29与第三底板27的第一通孔28连通。
因为使用第一镜子31和第二镜子32，镜子厚度增加。结果是，增加数量的光束的光路径被改变，因此增加了光传输效率。第一镜子31和第二镜子32优选地给出不同的形状，以为了增加光传输效率并允许根据从发光元件3发射的光束的发射状态而任意选择镜子的形状。
一般来说，第三基底27的内壁(第一镜子31)和发光元件3的发光面6之间形成的锥形角θ1优选地被设定为大于副安装板24的内壁(第二镜子32)和发光元件3的发光面6间的锥形角θ2。这是因为来自发光元件3的光束包括具有宽的发射角度和具有窄的发射角度的光束，如图22所示。
排列得更靠近发光面6的第二镜子32，接收具有宽的发射角度的光束。因此，第二镜子的锥角θ2设定得较小。第一镜子31接收具有窄的发射角度的光束。因此，第一镜子的锥角θ2设定得较大。因此，确保从每个镜子反射的光束的光路径都改变成实质上平行于发光元件3的光轴，因此改善与光纤的耦合效率。
第一镜子31的锥角优选地设定为70°到85°，且第二镜子32的锥角优选地设定为40°到70°。即，因为第三基底27的通孔和副安装板24的通孔每个都有镜子，故镜子的厚度增加，以便较宽范围的发射角度内的光束的光路径可改变，且根据从发光元件3发射的光束的发射角度任意选择镜子的角度，因此实现高的实用效率。
进一步，副安装板24的使用产生减少发光在元件3上产生的热应力的效果，如实施例4的情况。副安装板24优选地由Si制成，如实施例4的情况。
在实施例5中，如实施例1的情况，在第三基底27的前表面一侧提供模制树脂(光传输树脂组件)，以便其填充第一通孔28和第二通孔29，并作为模制树脂整体部分形成透镜。或者，如实施例2的情况，在第一通孔28和第二通孔29中填充粘合剂以结合透镜，以便该透镜面向第一通孔28。
如上所述，根据实施例1到5的光发送器1，21，31，41和51使用引线框5形成的第一通孔或副安装板24中，或者分别在第三基底27和副安装板24中形成的第一通孔28和第二通孔29，是为了从发光元件3引出光束。因此，这些光发送器的光传输效率增加，且其热消散得到改善，同时可实现这些光发送器的小型化和成本降低。根据实施例1到5的光发送器1，21，31，41和51只是本发明的例子，且可做出各种变化而不会脱离本发明的精神。
实施例6
作为根据实施例6及其参考图19的说明的光发送器，给出根据实施例1的上述光发送器的一种应用。图19是显示根据本发明的实施例6的照明设备的示意性的结构的示例性的视图。
如图19所示，根据本发明的实施例6的照明设备61是上述根据实施例1的光发送器的一种应用(参见图1)。
图19中，发光元件3a、3b和3c分别发射具有不同波长的光束，如三种颜色R、G和B(红色、绿色和蓝色)的光束。
从发光元件3a、3b和3c的每个发射的光束的光路径被锥形镜8改变，如实施例1所述。
这些光束穿越在散射薄膜20上使用的模制树脂9，其中那些颜色的光束被散射并混合在一起成为，例如，然后向外界发射白色光。
如实施例1所述，因为使用具有锥形镜8的引线框5，则通常因为其宽的发射角度而不能使用的光束可以有效地使用，以致光利用效率提高。
进一步，因为如上所述，热消散得到改善，穿越发光元件3的电流的数量增加。这使得照明设备61的高亮度、小型化以及低成本的制造成为可能。根据其使用，照明设备61可包括多组发光元件3a、3b和3c。
实施例7
作为根据实施例7并参考图20的说明的照明设备，给出了对实施例7的上述照明设备的修改。图20是显示根据本发明的实施例7的照明设备的示意性的结构的示例性的视图。
如图20所示，在根据实施例7的照明设备71中，所有发光元件3适合于发射具有相同波长的光束，如蓝色的光束。
从发光元件3发射的光束进入磷光体，其中部分光束转换为黄色光束等等，然后与最初颜色的其余光束混合，变成白色等等的光束。
或者，可通过传统的已知方法，例如通过使用发射紫外光的发光元件3并使紫外光穿越红色、绿色和蓝色的磷光体23，来获得白色光束。
在实施例7中，发光元件3不是图19所示的独立芯片，而是在相同晶片上排列提供的发光面6。
发光面6不仅在图中宽度方向排列，且在深度方向排列(未示出)。提供发光元件3有几个到几百个发光面6。这就消除了放置独立芯片的需要。因此，能以低成本制造照明设备并使其小型化。
同样，在发光元件3中，分别相对发光面6提供电极(参见图3的n电极11)，并用导电粘合剂，如银的粘贴结合到后电极基底22。
引线框5和后电极基底22电气连接到电路(未示出)，用于发光元件3的开/关控制。
后电极基底22由具有高导热性的材料，如铝、铜或磷青铜制成。
即，发光元件3不是由延长组件，如电线电气连接。相反，发光面6一侧上发光元件3的电极(参见图3的p电极15)及其后表面一侧的电极分别面对面与引线框5和后电极基底22接触。因此，发光元件3生成的热量可有效消散，以致热消散得到显著改善。
如上所述，根据实施例6和实施例7的照明设备61和71使用引线框5内形成的通孔7，是为了从发光元件3内引出光束。因此，这些光发送器的光传输效率增加，且其热消散得到改善，同时实现了这些光发送器的小型化和成本降低。根据实施例6和实施例7的照明设备61和71只是本发明的例子，可以做出各种变化而不会脱离本发明的精神。
根据本发明的照明设备61和71可广泛地用于液晶设备的背景照明、照明者的光源、车辆的前灯、以及照相机的闪光灯、和通用光源中。
本发明提供了以下工业应用。
(1)基底有通孔。该通孔有内壁。该通孔的内径从基底的后表面一侧向其前表面一侧增加。因此，从发光部分发射的具有宽的发射角度的光束可从通孔的内壁向基底的前表面反射。因此，具有宽的发射角度的光束也能被有效利用，与光纤等等耦合，这就增加了耦合效率。
(2)发光元件放置在基底的后表面，以便发光部分暴露在通孔内。这样，发光元件的发光部分靠近通孔的内壁。因此，有可能将通孔的深度减至最小，该通孔包含在具有宽的发射角度的光束向基底的前表面的反射中。因此，可实现光发送器的小型化。
(3)基底内形成的通孔用于引导从发光元件发射的光束。这样，最初用作接线元件的基底也能被用于光学元件。因此，元件的数量得到减少，生产过程得到简化。因此，能以低成本制造光发送器。
(4)放置发光元件，以便发光部分暴露在通孔内。这样，作为热生成源的发光部分靠近作为热消散介质的基底。因此，发光元件的热消散得到改善。
(5)发光元件和结合线可被封装在包含填充物的模制树脂内。因此，发光元件和结合线上产生的热应力减小。进一步，用具有弹性的树脂覆盖发光元件的发光面。在线性膨胀类似于发光元件的副安装板上放置发光元件。因此，发光元件上产生的热应力减小，以便在宽的温度范围内使用并存储光发送器，以获得高的可靠性。

Claims (45)

1.一种光发送器，它包含：
具有通孔的基底；以及
置于基底的后表面且具有发光部分的发光元件，
该通孔有内壁，该通孔的内径沿从基底的后表面一侧到其前表面一侧方向增大，该发光元件设置成使发光部分暴露在通孔内，该发光部分朝基底的前表面发射光束，通孔使部分光束穿出该通孔而不被反射，其余光束在从通孔内壁被反射后穿出通孔，
通孔包含在基底的后表面一侧提供的第一内壁部分，以及在基底的前表面一侧提供的第二内壁部分，第一内壁部分的内径向基底的前表面逐渐增加，第二内壁部分的内径比第一内壁部分的内径的最大值大。
2.如权利要求1所述的光发送器，其特征在于，基底是引线框，用于提供到外部电路的连接。
3.如权利要求1所述的光发送器，其特征在于，发光元件包括在发光部分周围设置的电极，该电极电气连接到基底的后表面。
4.如权利要求1所述的光发送器，其特征在于，通孔的内壁向内弯曲。
5.如权利要求1所述的光发送器，其特征在于，基底厚度为50到500微米。
6.如权利要求1所述的光发送器，进一步包含辅助基底，设置成使得发光元件夹在辅助基底和基底之间，发光元件在其与发光部分相对的后表面具有后电极，该后电极电气连接到辅助基底。
7.如权利要求1所述的光发送器，进一步包含在基底的后表面一侧上提供的封装树脂组件，它用于封装发光元件。
8.如权利要求7所述的光发送器，其特征在于，封装树脂组件由树脂制成，该树脂包含填充物，用于降低封装树脂组件的线性膨胀且用于提高其导热性。
9.如权利要求1所述的光发送器，进一步包含填充通孔并覆盖发光元件的发光面的透明树脂。
10.如权利要求9所述的光发送器，进一步包含由填充通孔的透明树脂粘合的凸透镜，该凸透镜面向基底的通孔。
11.如权利要求9所述的光发送器，其特征在于，根据日本工业标准-A，透明树脂的硬度为50度或更低。
12.如权利要求1所述的光发送器，进一步包含在基底的前表面一侧提供的光传输树脂组件，以便其填充通孔，该光传输树脂组件具有作为其一部分的凸透镜，用于收集从发光元件发射的光束。
13.如权利要求12所述的光发送器，其特征在于，基底有在其前表面形成的树脂注射凹槽，该树脂注射凹槽与通孔连通，用于形成光传输树脂组件时，方便光传输树脂流入通孔。
14.一种光发送器，它包含：
有第一通孔的基底；
附着于该基底且具有第二通孔的副安装板；以及
设置在该副安装板的后表面且具有发光部分的发光元件，
该第二通孔有内壁，该第二通孔的内径从副安装板的后表面一侧向其前表面一侧增加，该发光元件设置成使发光部分暴露在第二通孔内，该发光部分向基底的第一通孔发射光束，这种第二通孔使部分光束穿出该第二通孔并进入基底的第一通孔而不被反射，其它光束在从第二通孔内壁被反射后穿出第二通孔进入基底的第一通孔，
第二通孔包含在副安装板的后表面一侧设置的第一内壁部分，以及在副安装板的前表面一侧设置的第二内壁部分，该第一内壁部分的内径向副安装板的前表面逐渐增加，该第二内壁部分的内径比第一内壁部分的内径的最大值大，
其中所述基底的第一通孔的内径比所述副安装板的第二通孔的内径的最大值大。
15.如权利要求14所述的光发送器，其特征在于，副安装板和发光元件间的线性膨胀的差异设定得比基底和发光元件间的线性膨胀的差异小。
16.如权利要求14所述的光发送器，其特征在于，副安装板由硅制成，各向异性地蚀刻硅以形成第二通孔。
17.如权利要求14所述的光发送器，其特征在于，基底是引线框，用于提供到外部电路的连接。
18.如权利要求14所述的光发送器，其特征在于，发光元件包括在发光部分周围设置的电极，该电极电气连接到副安装板的后表面。
19.如权利要求14所述的光发送器，其特征在于，第二通孔内壁向内弯曲。
20.如权利要求14所述的光发送器，其特征在于，副安装板的厚度为50到500微米。
21.如权利要求14所述的光发送器，进一步包含辅助基底，设置成使得发光元件夹在辅助基底和副安装板之间，发光元件在其与发光部分相对的后表面具有后电极，该后电极电气连接到辅助基底。
22.如权利要求14所述的光发送器，进一步包含在基底的后表面放置的封装树脂组件，它用于封装副安装板和发光元件。
23.如权利要求22所述的光发送器，其特征在于，封装树脂组件由树脂制成，该树脂包含填充物，用于降低封装树脂组件的线性膨胀且用于提高其导热性。
24.如权利要求14所述的光发送器，进一步包含填充第二通孔和第一通孔并覆盖发光元件的发光面的透明树脂。
25.如权利要求24所述的光发送器，进一步包含由填充第二通孔和第一通孔的透明树脂粘合的凸透镜，该凸透镜面向基底的第一通孔。
26.如权利要求24所述的光发送器，其特征在于，根据日本工业标准-A，透明树脂的硬度为50度或更低。
27.如权利要求14所述的光发送器，进一步包含在基底的前表面一侧提供的光传输树脂组件，以便其填充第二通孔和第一通孔，该光传输树脂组件具有作为其一部分的凸透镜，用于收集从发光元件发射的光束。
28.如权利要求27所述的光发送器，其特征在于，基底有在其前表面形成的树脂注射凹槽，该树脂注射凹槽与第一通孔连通，用于形成光传输树脂组件时，方便光传输树脂流入第一通孔和第二通孔。
29.一种光发送器，它包含：
有第一通孔的基底；
附着于该基底且具有第二通孔的副安装板；以及
设置在该副安装板的后表面且具有发光部分的发光元件，
第一通孔有内壁，该第一通孔的内径从基底的后表面一侧向其前表面一侧增加，该第二通孔有内壁，该第二通孔的内径从副安装板的后表面向其前表面一侧增加，该发光元件设置成使发光部分暴露在第二通孔内，该发光部分向基底的前表面发射光束，第一通孔和第二通孔使部分光束穿出第一通孔而不被反射，而其它光束在从基底的内壁和副安装板的内壁中至少一个被反射后穿出第一通孔，
第一通孔包含在基底的后表面一侧设置的第一内壁部分，以及在基底的前表面一侧设置的第二内壁部分，该第一内壁部分的内径向基底的前表面逐渐增加，该第二内壁部分的内径比第一内壁部分的内径的最大值大，
其中所述基底的第一通孔的内径比所述副安装板的第二通孔的内径的最大值大。
30.如权利要求29所述的光发送器，其特征在于，副安装板和发光元件间的线性膨胀的差异设定得比基底和发光元件间的线性膨胀的差异小。
31.如权利要求29所述的光发送器，其特征在于，第一通孔的内壁和发光元件的光轴间形成的角度设定得比第二通孔的内壁和发光元件的光轴间形成的角度小。
32.如权利要求29所述的光发送器，其特征在于，副安装板由硅制成，各向异性地蚀刻硅以形成通孔。
33.如权利要求29所述的光发送器，其特征在于，发光元件包括在发光部分周围设置的电极，该电极电气连接到副安装板的后表面。
34.如权利要求29所述的光发送器，其特征在于，基底是引线框，用于提供到外部电路的连接。
35.如权利要求29所述的光发送器，其特征在于，第二通孔包含在副安装板的后表面一侧设置的第一内壁部分，以及在副安装板的前表面一侧设置的第二内壁部分，该第一内壁部分的内径向副安装板的前表面逐渐增加，该第二内壁部分的内径比第一内壁部分的内径的最大值大。
36.如权利要求29所述的光发送器，其特征在于，第一通孔或第二通孔的内壁向内弯曲。
37.如权利要求29所述的光发送器，其特征在于，基底和副安装板的厚度为50到500微米。
38.如权利要求29所述的光发送器，进一步包含辅助基底，设置成使发光元件夹在辅助基底和副安装板之间，发光元件在其与发光部分相对的后表面具有后电极，一该后电极电气连接到辅助基底。
39.如权利要求29所述的光发送器，进一步包含在基底的后表面设置的封装树脂组件，它用于封装副安装板和发光元件。
40.如权利要求39所述的光发送器，其特征在于，封装树脂组件由树脂制成，该树脂包含填充物，用于降低封装树脂组件的线性膨胀且用于提高其导热性。
41.如权利要求29所述的光发送器，进一步包含填充第一通孔和第二通孔并覆盖发光元件的发光面的透明树脂。
42.如权利要求41所述的光发送器，进一步包含由填充第一通孔和第二通孔的透明树脂粘合的凸透镜，该凸透镜面向基底的第一通孔。
43.如权利要求41所述的光发送器，其特征在于，根据日本工业标准-A，透明树脂的硬度为50度或更低。
44.如权利要求29所述的光发送器，进一步包含在基底的前表面一侧设置的光传输树脂组件，以便其填充第一通孔和第二通孔，该光传输树脂组件具有作为其一部分的凸透镜，用于收集从发光元件发射的光束。
45.如权利要求44所述的光发送器，其特征在于，基底有在其前表面形成的树脂注射凹槽，该树脂注射凹槽与第一通孔连通，用于在形成光传输树脂组件时，方便光传输树脂流入第一通孔和与之连通的第二通孔。
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