CN102279447A - 光传输装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光传输装置。所述光传输装置包括：基板，在所述基板上形成有包括发送或接收光信号的半导体层的元件部、以及包括导电性半导体层的支承部；光传输部件，该光传输部件被布置成面对所述元件部和所述支承部，并且光耦合到所述元件部；以及导电部件，该导电部件设置在所述支承部上，并且电接触所述光传输部件。

Description

光传输装置
技术领域
本发明涉及一种光传输装置。
背景技术
使用光信号的通信在诸如通信装置和信息终端的电子装置之间进行或者在电子装置内部进行。一种光传输模块现已在商业上用于电子装置内的距离相对较短的光通信，这种光传输模块包括发送侧电路板、接收侧电路板以及柔性膜光传输路径，在发送侧电路板上安装有发送光信号的发光元件，在接收侧电路板上安装有接收光信号的光接收元件，柔性膜光传输路径从发光元件向光接收元件传输光。膜式光波导(如平板波导)对光传输模块的封装提供了较大的自由度，并且使得这种光传输模块的尺寸较小。例如，将功耗低的垂直腔体表面发射型激光(VCSEL)二极管用于发光元件。
为了使得在发光元件或光接收元件与膜式光波导之间容易光耦合，公开了提供补偿部件的方法(参考文献1)、以及用粘合材料将膜式光波导固定到基板的方法(参考文献2)，所述补偿部件保持安装有元件的基板与膜式光波导之间的特定距离。
[参考文献1]日本专利申请特开2007-148107号公报
[参考文献2]日本专利申请特开2007-286289号公报
[参考文献3]日本专利申请特开2007-298580号公报
发明内容
本发明要解决的问题
本发明的目的在于提供一种光传输装置，该光传输装置保护发送光信号的发光元件和接收光信号的光接收元件不被静电破坏。
技术方案
根据本发明的一个方面，提供一种光传输装置，该光传输装置包括：基板，在所述基板上形成有包括发送或接收光信号的半导体层的元件部、以及包括导电性半导体层的支承部；光传输部件，该光传输部件被布置成面对所述元件部和所述支承部，并且光耦合到所述元件部；以及导电部件，该导电部件设置在所述支承部上，并且电接触所述光传输部件。
在所述光传输装置的第一变型例中，所述元件部包括第一导电类型的第一半导体层、和作为与所述第一导电类型不同的导电类型的第二导电类型的第二半导体层，并且具有沿所述基板的法线方向发光或接收光的表面；并且，所述支承部包括由与所述元件部的材料相同的材料构成的半导体层。
在所述光传输装置的第二变型例中，所述支承部在面对所述光传输部件的表面中包括电连接到所述导电性半导体层的金属电极；并且，在所述金属电极中形成有用于保持所述导电部件的凹部。
在所述光传输装置的第三变型例中，所述导电部件用粘合性而结合到所述光传输部件。
在所述光传输装置的第四变型例中，在所述支承部的面对所述光传输部件的表面中形成的金属电极的膜厚度大于在所述元件部的顶部上形成的金属电极的膜厚度。
在所述光传输装置的第五变型例中，所述支承部的面对所述光传输部件的表面的面积大于所述元件部的顶部的面积。
在所述光传输装置的第六变型例中，在所述基板上形成有多个支承部；并且所述光传输部件由分别设置在所述多个支承部的面对所述光传输部件的表面的多个导电部件支承。
在所述光传输装置的第七变型例中，所述光传输部件由具有挠性的树脂构成。
根据本发明的另一个方面，提供一种光传输装置，该光传输装置包括：发送侧基板，在该发送侧基板上形成有第一元件部和第一支承部，所述第一元件部包括发送光信号的半导体层，所述第一支承部包括导电性半导体层；接收侧基板，在该接收侧基板上形成有接收光信号的第二元件部；光传输部件，该光传输部件包括第一端部、光传输路径和第二端部，光信号进入所述第一端部，所述光传输路径传输进入所述第一端部的光信号，所述第二端部发射所传输的光信号；以及第一导电部件，该第一导电部件设置在所述发送侧基板的所述第一支承部上；其中，所述第一支承部通过所述第一导电部件支承所述光传输部件，使得所述第一端部光耦合到所述第一元件部；并且所述第二端部光耦合到所述第二元件部。
在所述光传输装置的变型例中，在所述接收侧基板上形成有包括导电性半导体层的第二支承部；在所述第二支承部上设置有第二导电部件；并且所述第二支承部通过所述第二导电部件支承所述光传输部件，使得所述第二端部光耦合到所述第二元件部。
本发明的有益效果
根据本发明的方面，与不具有本发明的导电部件的光传输装置相比，可以保护元件部不被静电破坏。
根据光传输装置的第一变型例，与支承部包括由与元件部的材料不同的材料构成的半导体层的情形相比，可以容易地形成支承部。
根据光传输装置的第二变型例，与不具有凹部的金属电极相比，可以容易地将导电部件定位在金属电极上。
根据光传输装置的第三变型例，与不具有粘合特性的导电部件相比，可以强有力地支承光传输部件。
根据光传输装置的第四变型例，与膜厚度较小的金属电极相比，可以补偿元件部与光传输部件之间的间隙或距离。
根据光传输装置的第五变型例，与仅设有单个支承部的情形相比，可以抑制对元件部的静电放电。
根据光传输装置的第六变型例，与不具有本发明的结构的支承部相比，可以抑制对元件部的静电放电。
根据光传输装置的第七变型例，可以将带电的静电放电至树脂。
附图说明
将基于以下附图对本发明的示例性实施方式进行详细描述，在附图中：
图1A是根据本发明的第一示例性实施方式的光传输模块的示意性俯视图，图1B是从线A-A截取的光传输模块的截面图；
图2A是垂直腔体表面发射型激光器的元件部的放大图，图2B是从线B-B截取的元件部的截面图；
图3A是垂直腔体表面发射型激光器的支承部的截面图，图3B是支承部的俯视图；
图4A是根据本发明的第二示例性实施方式的光传输模块的俯视图，图4B是从线C-C截取的光传输模块的截面图；
图5是根据本发明的第三示例性实施方式的光传输模块的示意性截面图；以及
图6是示出了根据本发明的第四示例性实施方式的光传输模块的结构的平面图。
具体实施方式
现在将参考这些附图对本发明的示例性实施方式进行描述。在下面的描述中，垂直腔体表面发射型激光器将作为发送光信号的半导体元件的示例，并且将垂直腔体表面发射型激光器简称为VCSEL。图中的比例是放大后的，以理解本发明的特征，其与实际装置的比例不同。
[第一示例性实施方式]
图1A是根据本发明的第一示例性实施方式的光传输模块的俯视图，图1B是从线A-A截取的光传输模块的截面图。第一示例性实施方式的光传输模块10包括VCSEL 20、平板波导30和导电性粘合材料40，平板波导作为光耦合到VCSEL 20并且传输来自VCSEL 20的激光束L的光传输部件，导电性粘合材料提供VCSEL 20和平板波导30之间的电连接以及机械支承。
VCSEL 20包括元件部20A和支承部20B，元件部20A在其基板100上具有圆柱形柱或台，支承部20B具有在离开元件部20A的位置形成的矩形柱或台。元件部20A和支承部20B一起在基板100上单片形成，且这二者分别包括相同的半导体层。圆形p侧电极垫118和圆形n侧电极垫126在基板100上形成。p侧电极垫118电连接到元件部20A的p型半导体层，且n侧电极垫126电连接到n型半导体层。元件部20A包括通过将n型半导体层和p型半导体层层叠在基板上而形成的垂直谐振结构，对施加于p侧电极垫118和n侧电极垫126的驱动信号做出响应，并且向基本垂直于基板100的主表面的方向发射激光束。
支承部20B的高度与元件部20A的高度相同，导电性粘合材料40经由金属电极130安装在支承部20B的顶部。导电性粘合材料40电连接到支承部20B，并且粘合性地接触平板波导30的背侧。导电性粘合材料40将平板波导30电连接到支承部20B，并且通过机械支承平板波导30来保持平板波导30的入口部32与元件部20A之间的距离S恒定。
平板波导30由具有挠性的膜型聚合树脂构成。平板波导30包括折射率较高的芯部30A、和折射率低于芯部30A的折射率的包层部30B，并且利用芯部30A与包层部30B之间的全反射传输光。从元件部20A发射的激光束进入平板波导30的入口部32，并且被传输至另一个作为发射侧的端部。
图2A是示于图1A中的元件部20A的放大图，且图2B是从线B-B截取的元件部20A的截面图。在图2A中，用阴影示出了p侧电极和n侧电极。通过将缓冲层102、n型分布式布拉格反射器(下面简称为DBR)104、有源区106和p型上DBR 108层叠在n型GaAs基板100上，来形成典型的VCSEL 20。缓冲层102由n型GaAs构成。通过交替层叠具有不同Al成分的AlGaAs层来形成n型DBR 104。有源区106包括夹在下间隔体层106A与上间隔体层106B之间的量子阱层。通过交替层叠具有不同Al成分的AlGaAs层来在有源区106上形成p型上DBR 108。优选的是，在上DBR 108的顶层形成由p型GaAs构成的接触层108A，并且在上DBR 108的底层或上DBR 108内形成由p型AlAs构成的限流层110。
通过刻蚀从上DBR 108延伸至下DBR 104的半导体层来在基板100上形成圆柱形元件部20A。在形成元件部20A时，同时形成矩形的支承部20B。限流层110在元件部20A的侧表面上暴露，并且具有从侧表面起被选择性地氧化的氧化区域和被氧化区域包围的圆形导电区域(氧化的孔径)。由于AlAs的氧化速度比AlGaAs的氧化速度快，所以能够形成从元件部20A的侧表面至内部被选择性地氧化的区域。导电区域的获得基本横模的直径例如等于或小于约5μm。当导电区域的直径大于约5μm时，出现包括高阶横模的多模振荡。导电区域的中心变成VCSEL 20的光轴。
层间绝缘膜112形成在包括元件部20A的基板的整个表面上，在元件部20A的顶部形成有到层间绝缘膜112的接触孔。在层间绝缘膜112上形成有p侧电极114，如Au或Au/Ti，并且p侧电极114通过接触孔而欧姆连接到接触层108A。在p侧电极114的中心形成有圆形开口114A，开口114A的中心基本在光轴上。这个开口114A变成光束窗口，从该光束窗口向垂直于基板100的主表面的方向发射激光束。
p侧电极114连接到金属布线116，如图1A所示。金属布线116被沿着元件部20A的侧壁引导，并且连接到在基板100的表面上形成的圆形电极垫118。电极垫118电连接到基板100用接合线等安装到的电路板上的布线图案。
通过对半导体层进行刻蚀，在接近于元件部20A的位置形成有到达缓冲层102的椭圆形或矩形通孔120。在覆盖通孔120的层间绝缘膜112中形成有用于暴露缓冲层102的接触孔。在层间绝缘膜112上在包括通孔120的区域内形成有n侧电极122，n侧电极122穿过接触孔而电连接到缓冲层102。n侧电极122具有包围半个元件部20A的拱形图案，如图1A所示。n侧电极122连接到在基板100上延伸的金属布线124，且金属布线124连接到圆形电极垫126。电极垫126电连接到基板100用接合线等安装到的电路板上的布线。
图3A是VCSEL中形成的支承部20B的截面图，图3B是支承部20B的俯视图。支承部20B具有通过刻蚀从上DBR延伸至下DBR的半导体层而形成的矩形柱或台结构。支承部20B包括与元件部20A的半导体层相同的半导体层，在作为顶层的接触层108上形成有金属电极130。在金属电极130的中心部位形成有用于定位和保持导电性粘合材料40的圆形凹部132。根据有待安装的导电性粘合材料40的形状、材料和粘度来决定凹部132的尺寸。优选的是，金属电极130由与p侧电极114的材料相同的材料构成，并且在形成p侧电极114的图案的同时形成。如上所述，形成从金属电极130至n侧电极122的电流路径。
支承部20B具有在较短方向上的宽度Dx和在较长方向上的宽度Dy，如图3B所示。优选的是，宽度Dy大于元件部20A的顶部的直径，并且被设定为使得与宽度D(Dy/D)之比恒定，所述宽度D是平板波导30的较短方向上的宽度。通过使得导电性粘合材料40的接触面积很大，平板波导30的支承变得稳定。
将导电性粘合材料40提供至金属电极130的凹部132的内部。导电树脂、银膏、可从FUJIKURAKASEI有限公司得到的DOTITE(商品名称)等可以用于导电性粘合材料40。导电性粘合材料40可以是可固化树脂，其在凝胶状态下装入金属电极130的凹部132的内部，并且在一定的时间段之后传导固化，或者可以是导电材料，这种导电材料是可紫外光固化的类型、可见光固化类型或者热固化类型，并且具有粘合性。
如上所述，导电性粘合材料40设置在支承部20B上，机械支承平板波导30并且向平板波导30提供放电通路。此外，导电性粘合材料40对平板波导30的顶端(入口部)32与元件部20A分开的一定距离S的高度进行补偿。
因为在VCSEL 20与平板波导30之间具有间隙的光传输模块10的封装处理或运行期间容易对由聚合树脂制成的平板波导30充入静电，所以存在这种的情形：由于在平板波导30弯曲并接触导电材料的瞬间出现的放电而导致的静电放电，光元件受到损害。这种情形出现还因为偶然接触很容易发生，这是因为除了必须将VCSEL 20与平板波导30靠近地排列直到它们之间的间隙变成约100μm以提高VCSEL 20与平板波导30的耦合效率之外，由聚合树脂构成的光波导还具有挠性。需要抵抗光传输模块的静电的对策，因为根据使用环境和季节，存在容易产生静电的时间。
在第一示例性实施方式的光传输模块10中，在平板波导30的表面上产生的静电通过导电性粘合材料40被引导至VCSEL 20的支承部20B，从金属电极130经过支承部20B的p型半导体层108和n型半导体层104，并且被放电到n侧电极122。因此，由于平板波导30因为静电实际上被放电而未带电，所以即便平板波导30的作为顶端的入口部32弯曲并接触VCSEL 20，也不会对元件部20A发生静电放电，并且能保护元件部20A不被静电破坏。此外，由于支承部20B具有与元件部20A的层叠层结构相同的层叠层结构并且具有比元件部20A的面积大的面积，所以电阻值比元件部20A小，并且电涌电流难以流入元件部20A中。此外，支承部20B变成了将平板波导30与元件部20A对齐的标记，并且通过在金属电极130内形成的凹部132而具有防止导电性粘合材料40流出的结构。
[第二示例性实施方式]
现在对第二示例性实施方式进行描述。图4A是根据第二示例性实施方式的光传输模块的俯视图，图4B是从线C-C截取的光传输模块的截面图。在第二示例性实施方式中，在VCSEL 20的元件部20A中形成有多个通孔120A，并且n侧电极122穿过这些多个通孔120A电连接到缓冲层102。此外，在VCSEL 20的基板100上形成有三个支承部200、210和220，各个支承部具有圆形柱或台结构。三个支承部200、210和220中的每一个具有与元件部20A的半导体层相同的半导体层，并且以与第一示例性实施方式相同的方式通过金属电极130在它们的顶部上分别安装导电性粘合材料40。三个导电性粘合材料40结合到平板波导30的背侧，并且机械支承平板波导30。通过使用三个导电性粘合材料，宽度较宽的平板波导30的支承可以变得稳定。此外，由于支承部200、210和220的接触面积变大，所以电阻能够变小，并且电涌电流难以流入元件部20A中。
优选的是，将三个支承部200、210和220布置为关于穿过支承部200的线对称。此外，三个支承部200、210和220按相等的距离布置，并且用相等的力来支承平板波导30。优选的是，支承部200、210和220的直径大于元件部20A的直径。除此之外，可以在基板上形成多于四个的支承部，并且将每个支承部制成不同的形状和尺寸。
[第三示例性实施方式]
现在对第三示例性实施方式进行描述。图5是根据第三示例性实施方式的光传输模块的VCSEL的示意性截面图。在第三示例性实施方式中，在支承部20B的顶部上形成的金属电极300的膜厚度大于元件部20A的p侧电极114的膜厚度。如图5所示，将支承部20B的金属电极300的膜厚度t1形成为大于p侧电极114的膜厚度t2(t1＞t2)。如果在导电性粘合材料40接触平板波导30时导电性粘合材料40在高度方向上的厚度减小了多于特定量，则不可能对平板波导30的作为顶端的入口部32与元件部20A之间的距离S进行补偿。通过使金属电极300的膜厚度为t1，即便导电性粘合材料40的形状发生变化，也可以对平板波导30的入口部32与元件部20A之间的距离S进行补偿。
在第三示例性实施方式中，在金属电极300的表面上形成用于保持和定位导电性粘合材料40的凹部310。由于支承部20B并不发光，所以凹部310不必将接触层108A暴露。第三示例性实施方式适用于如第二示例性实施方式中描述的包括多个支承部的VCSEL。
[第四示例性实施方式]
图6示出了根据第四示例性实施方式的光传输模块10A。第四示例性实施方式例示了包括接收从半导体发光元件发送的光信号的光接收元件的光传输模块10A的结构。VCSEL 20安装在发送侧电路板400上，并且平板波导30的一个端部34由VCSEL 20支承。示于图1A中的VCSEL20的p侧电极垫118和n侧电极垫126用结合线电连接到电路板400上的给定布线图案。光接收元件420安装在接收侧电路板410上，并且平板波导30的另一个端部36被支承在光接收元件420的上方。端部36光耦合到光接收元件420。从平板波导30传输的光信号通过光接收元件420转换成电信号，并且转换后的电信号提供给电路板410上的给定布线图案。
由于挠性平板波导30通过导电性粘合材料40而连接到VCSEL 20的支承部20B，所以在平板波导30的表面上产生的静电通过支承部20B而放电。由此，即便平板波导30的端部36接触光接收元件420，也可以保护光接收元件420不被静电破坏。
本发明适用于光接收元件侧。更明确来讲，提供由与示于图1A中的光接收元件420上的光接收元件的材料相同的材料构成的支承部，并且在支承部上提供导电性粘合材料，使得导电性粘合材料支承平板波导30的位于光接收元件侧上的端部36。根据这一点，平板波导所带的静电可以被放电至光接收元件侧上的光接收元件420。光接收元件可以是例如通过将n型半导体层和p型半导体层层叠在基板上而形成的圆柱形或矩形的表面型光接收元件，并且对从基本垂直于基板的主表面的方向进入的光进行光电转换。支承部形成由与光接收元件的半导体层相同的半导体层构成的电流通路，并且从平板波导将静电放电。此外，光接收元件可具有如下的结构：n型或p型半导体层层叠在p型或n型硅基板上。在这种情形中，支承部可以将n型或p型半导体层层叠在硅基板上，并且将导电性粘合材料涂覆在其上。
在第一示例性实施方式中，通过使用其中在基板的表面上形成VCSEL的n侧电极的实施例来进行描述。不过，可以在基板的背侧上形成n侧电极。在这种情形中，将n型GaAs基板用作基板。在上述示例性实施方式中，通过将平板波导用作光波导来进行描述。不过，本发明适用于具有圆形截面的光波导和光纤。此外，在上述示例性实施方式中，通过将具有选择性氧化型限流层的VCSEL用作光发光元件来进行描述。不过，发光元件可以是不具有振荡结构的简易空气柱结构型的VCSEL、质子注入型VCSEL或者发光二极管。元件部和支承部的形状并没有限制，可以是柱状或柱状之外的其他形状。
对本发明示例性实施方式的前述描述是为了例示和描述的目的而提供的。其并非旨在穷举或者将本发明限于所公开的确切形式。显然，许多变型和修改对于本领域技术人员是显而易见的。选择并描述这些示例性实施方式是为了最好地说明本发明的原理及其实际应用，从而使得本领域其他技术人员能够理解本发明的适用于所构想特定用途的各种实施方式和各种变型。旨在由所附权利要求书及其等同物来限定本发明的范围。

Claims (10)

1.一种光传输装置，该光传输装置包括：
基板，在该基板上形成有：元件部，其包括发送或接收光信号的半导体层；和支承部，其包括导电性半导体层；
光传输部件，该光传输部件被布置成面对所述元件部和所述支承部，并且光耦合到所述元件部；以及
导电部件，该导电部件设置在所述支承部上，并且电接触所述光传输部件。
2.根据权利要求1所述的光传输装置，其中，所述元件部包括第一导电类型的第一半导体层、和作为与所述第一导电类型不同的导电类型的第二导电类型的第二半导体层，并且具有沿所述基板的法线方向发光或接收光的表面；并且
所述支承部包括由与所述元件部的材料相同的材料构成的半导体层。
3.根据权利要求1或2所述的光传输装置，其中，所述支承部在面对所述光传输部件的表面中包括电连接到所述导电性半导体层的金属电极；并且
在所述金属电极中形成有用于保持所述导电部件的凹部。
4.根据权利要求1或2所述的光传输装置，其中，所述导电部件用粘合性而结合到所述光传输部件。
5.根据权利要求1或2所述的光传输装置，其中，在所述支承部的面对所述光传输部件的表面中形成的金属电极的膜厚度大于在所述元件部的顶部上形成的金属电极的膜厚度。
6.根据权利要求1所述的光传输装置，其中，所述支承部的面对所述光传输部件的表面的面积大于所述元件部的顶部的面积。
7.根据权利要求1或2所述的光传输装置，其中，在所述基板上形成有多个支承部；并且
通过分别设置在所述多个支承部的面对所述光传输部件的表面的多个导电部件来支承所述光传输部件。
8.根据权利要求1或2所述的光传输装置，其中，所述光传输部件由具有挠性的树脂构成。
9.一种光传输装置，该光传输装置包括：
发送侧基板，在该发送侧基板上形成有：第一元件部，其包括发送光信号的半导体层；和第一支承部，其包括导电性半导体层；
接收侧基板，在该接收侧基板上形成有接收光信号的第二元件部；
光传输部件，该光传输部件包括：第一端部，光信号进入该第一端部；光传输路径，其传输进入所述第一端部的光信号；和第二端部，其发射所传输的光信号；以及
第一导电部件，该第一导电部件设置在所述发送侧基板的所述第一支承部上；
其中，由所述第一支承部通过所述第一导电部件来支承所述光传输部件，使得所述第一端部光耦合到所述第一元件部；并且
所述第二端部光耦合到所述第二元件部。
10.根据权利要求9所述的光传输装置，其中，在所述接收侧基板上形成有包括导电性半导体层的第二支承部；
在所述第二支承部上设置有第二导电部件；并且
由所述第二支承部通过所述第二导电部件来支承所述光传输部件，使得所述第二端部光耦合到所述第二元件部。
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