CN108963749A - 激光的封装结构及其光学元件 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种激光的封装结构的光学元件，包括：一基板，具有一斜面、一第一表面与一第二表面，且该斜面与该第二表面之间具有一夹角；一掺杂层，位于该第一表面与该斜面下方；一介电层，覆盖于该斜面上；以及一电极，接触于该掺杂层；其中，该介电层可被一激光光束的第一部分所穿透，且可反射该激光光束的第二部分，使得该光学元件根据该激光光束的该第一部分产生一感应光电流。本发明实施例的技术方案修改反射元件的工艺，使其同时具备反射与光侦射功能，并且有效地缩小封装结构的体积。
Description
本申请是申请号为201510249388.3、申请日为2015年5月15日、发明名称为“激光的封装结构及其光学元件”的申请的分案申请。针对审查员于2018年6月15日发出的审查意见中指出的单一性问题，提出分案申请。
技术领域
本发明是有关于一种封装结构，且特别是有关于一种激光的封装结构及其光学元件。
背景技术
请参照图1A，其所示出为公知边射型激光二极管(edge-emitting Laser diode)的封装结构示意图。此封装结构100包括一激光二极管(Laser diode)104固定于一次粘着基板(submount)102上。再者，次粘着基板102固定于电路板106(如印刷电路板，PCB)上，且在电路板106上有至少二布局线路(layout trace)以作为二个电极(未示出)，并且二个电极可电性连接至激光二极管104。基本上，电性连接的方式可以利用各种已知方式来完成，例如线连接(wire bond)等等。再者，于二个电极提供一偏压后，激光二极管104即可产生激光光束108。
请参照图1B，其所示出为公知晶体管外观筒状(Transistor Outline CAN，简称TOCAN)封装的激光示意图。
圆形金属底座(base)130中有一凸出部130a，而金属壳体(cap)122覆盖于圆形金属底座130上并形成TO CAN封装。而在金属壳体122与圆形金属底座130所包覆的空间126内包括一激光二极管132附着于次粘着基板(submount)134上，而次粘着基板134固定于圆形金属底座130的凸出部130a。再者，二个电极(electrode)150延伸至金属壳体122与圆形金属底座130所包覆的空间126内，并与激光二极管132达成电性连接。再者，于二个电极150提供一偏压后，激光二极管132即可由窗口(window)124输出激光光束120。明显地，利用TOCAN封装结构，可将边射型激光的二极管132封装成为面射型激光。
众所周知，TO CAN封装结构的体积太大，并不适合用于小型电子装置，例如手机上。因此，其他类型的封装结构逐渐被发展出来。
请参照图2A，其所示出为公知激光光束转向封装结构示意图。该技术是公开于公开号为US 2009/0047024的专利文献中。在此技术中，封装结构200是作为光传接模组(optical transceiver module)中的传输侧(transmit side)，其可将输出激光光束233耦合(couple)至光纤(fiber)。
封装结构200包括：激光二极管210、光学系统230、光检测器220、反射元件250、基板270与控制器260。基本上，激光二极管210由前表面(front facet)发射输出激光光束(output light beam)，由后表面(rear facet)发射监测光束(monitoring light beam)。输出激光光束经由光学系统230、反射元件250耦合入光纤270。
监测光束则被光侦侧器220所吸收，并对应地产生光电信号至控制器260，而控制器260根据光电信号来产生回授信号至激光二极管210用以控制激光二极管210的输出激光光束的强度(intensity)。
请参照图2B至图2D，其所示出为公知反射元件的制作示意图。如图2B所示，将晶圆(wafer)280进行抛光(polish)，并将金属层290形成于抛光面281上，形成镜面(mirroringsurface)286。
再者，如图2C所示，利用45度的斜面切割刀(45o bevel blade)在282与283位置切割硅晶圆280后，会形成切割表面(diced surface)284。再者，利用正规切割刀(regulardicing blade)在位置285的地方直切，并在位置287与288直切后形成分离的多个反射元件250。
将图2C的一个反射元件翻转135度之后，即如为图2D所示的反射元件250。另外，切割面284是固定于基板270，而反射面286可将输出激光光束进行反射并转向。
发明内容
本发明的主要目的在于提出一种激光的封装结构及其光学元件。本发明设计一种新的反射元件来将边射型激光二极管的输出激光光束进行反射与转向。再者，修改反射元件的工艺，使其同时具备反射与光侦射功能的光学元件，并且有效地缩小封装结构的体积。
本发明是有关于一种激光的封装结构，包括：一散热基座；一激光元件，固应于该散热基座的一表面，可发射一第一激光光束；以及一第一光学元件，具有一反射面，使得该第一激光光束的第一部分可被穿透，并且使得该第一激光光束的第二部分被反射；其中，利用一蚀刻工艺，于该第一光学元件上形成一晶癖面，且处理该晶癖面成为该反射面；或者利用一切割工艺，于该第一光学元件上形成一第一斜面，且处理该第一斜面成为该反射面。
于一实施例中，该散热基座为一电路板，且该激光元件包括一激光二极管与一次粘着基板，该激光二极管固定于该次粘着基板，且该次粘着基板固定于该电路板。
于一实施例中，于该晶癖面或者该第一斜面上更形成一反射层，作为该反射面。
于一实施例中，该第一光学元件包括：一基板，具有该反射面、一第一表面与一第二表面，该第二表面固定于该散热基座，且该第二表面是经由切割，用以控制该第二表面与一(100)面之间的一夹角。
于一实施例中，该第一光学元件还包括：一掺杂层，位于该基板的该第一表面与该反射面下方；一介电层，覆盖于该晶癖面或者该第一斜面上；以及一电极，接触于该掺杂层；其中，该第一激光光束的该第一部分，穿过该介电层用以产生一感应光电流；且该第一激光光束的该第二部分，被该介电层所反射。
于一实施例中，该第一光学元件包括：一基板，具有该第一斜面、一第一表面与一第二表面，且该第一斜面是经由该切割工艺所形成，用以控制该第二表面与该第一斜面之间的一夹角。
于一实施例中，该第一斜面是经过一平坦化工艺后，再于该第一斜面上形成一反射层，其中该平坦化工艺是为一旋涂式工艺，或者一蚀刻工艺。
于一实施例中，还包括一第二光学元件，该第二光学元件包括：
一基板，具有一第二斜面、一第一表面与一第二表面，且该第二斜面与该第二表面之间具有一夹角；
一掺杂层，位于该第一表面与该第二斜面下方；
一介电层，覆盖于该第二斜面上；以及
一电极，接触于该掺杂层；
其中，该激光元件可输出的一第二激光光束，且该介电层可被该第二激光光束的第一部分所穿透，并使得该第二光学元件对应地产生一感应光电流。
本发明是有关于一种封装结构中的光学元件，包括：一基板，具有一斜面、一第一表面与一第二表面，且该斜面与该第二表面之间具有一夹角；一掺杂层，位于该第一表面与该斜面下方；一介电层，覆盖于该斜面上；以及一电极，接触于该掺杂层；其中，该介电层可被一激光光束的第一部分所穿透，且可反射该激光光束的第二部分，使得该光学元件根据该激光光束的该第一部分产生一感应光电流。
于一实施例中，利用蚀刻工艺，于该光学元件上形成一晶癖面并成为该斜面。
于一实施例中，利用切割工艺，于该光学元件上形成该斜面。
为了对本发明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明。
附图说明
图1A所示出为公知边射型激光二极管的封装结构示意图；
图1B所示出为公知晶体管外观筒状封装的面射型激光示意图；
图2A所示出为公知激光光束转向封装结构示意图；
图2B至图2D所示出为公知反射元件的制作示意图；
图3A至图3C，其所示出为本发明光学元件的制作示意图；
图4所示出为本发明的封装结构第一实施例；
图5A所示出为本发明另一光学元件；
图5B所示出为本发明封装结构第二实施例；
图5C所示出为本发明封装结构第三实施例；
图5D所示出为本发明封装结构第四实施例；
图6A至图6C所示出为本发明再一反射元件的制作示意图；
图7所示出为本发明的封装结构第五实施例。
其中，附图标记说明如下：
100：封装结构
102：次粘着基板
104：激光二极管
106：电路板
108、120：激光光束
122：金属壳体
124：窗口
126：空间
130：圆形金属底座
130a：凸出部
132：激光二极管
134：次粘着基板
150：电极
200：封装结构
210：激光二极管
220：光检测器
230：光学系统
233：输出激光光束
250：反射元件
260：控制器
270：基板
280：硅晶圆
281：抛光面
282、283、285、287、288：位置
284：切割表面
286：镜面
290：金属层
310、610：硅基板
312、314、316：位置
320：掩模层
331：晶癖面
332、334、336、338：光学元件
402、502、702：激光二极管
404、504、704：次粘着基板
410、550、570、710：电路板
420、560、572、720：输出激光光束
422、574：监测激光光束
500：光学元件
520：掺杂层
525：电极
530、652：反射层
562：第二部分
564：第一部分
612、614、616：位置
632、634、636、638：光学元件
650：斜面
651：SiO2层
具体实施方式
根据本发明的实施例，本发明的光学元件是于硅基板上进行蚀刻而形成一晶癖面(habit plane)，并处理晶癖面来形成此光学元件的反射面，且此光学元件可作为一反射元件。请参照图3A至图3C，其所示出为本发明光学元件的制作示意图。
首先，于硅基板(substrate)310的第一表面(上表面)上形成具有开口的一掩模层320，例如SiO2层。接着，利用化学蚀刻液进行蚀刻硅基板310后，即可形成图3A的二个沟槽(trench)。如图3A所示，选择特定的化学蚀刻液在特定晶向的晶片上蚀刻。当掩模层320的开口较小时，会形成V型沟槽，沟槽的二侧壁即为(111)平面，亦即晶癖面。另外，当掩模层320的开口较大时，会在沟槽底部形成(100)平面，而沟槽的二侧壁为(111)平面。其中，晶癖面与(100)面的夹角为54.7度。换言之，本发明是选择第一表面为(100)面的硅基板310，即可控制硅基板310的第一表面与晶癖面的夹角为54.7度。
为调整反射面角度为45度。如图3B所示，于晶棒切制成硅基板时，其切割角度与硅基板的(100)面为9.7度。之后，如图3C所示，移除于掩模层320并于312、314、316位置直切硅基板310后形成分离的多个光学元件332、334、336、338。当然，上述的切割角度可依照实际所需的角度进行切割，并不限定于9.7度。
于图3C中，光学元件332与336的晶癖面331与335其底部切割面呈现45度的夹角，适合运用于本发明面射型激光的封装结构。以下的封装结构是以光学元件332来进行说明，当然也可以用光学元件336来取代，不再赘述。
请参照图4，其所示出为本发明封装结构第一实施例。此封装结构包括一电路板410、一激光二极管402、一次粘着基板404、与一光学元件332。其中，激光二极管402固定于次粘着基板404。再者，次粘着基板404与光学元件332固定于电路板410的一表面。再者，激光二极管402与次粘着基板404形成激光元件，且电路板410是为一种散热基座(heatsink)。
由图4所示，于此封装结构中，激光二极管402由前表面发射输出激光光束420并直接照射至光学元件332的晶癖面331。而输出激光光束经由光学元件332的晶癖面331(反射面)反射而改变输出激光光束的路径。换句话说，大部分的输出激光光束可被反射面所反射，少部分的输出激光光束是穿透过反射面。因此，即完成本发明边射型激光二极管的光束转向封装结构。当然，于最后的工艺中，可将硅胶(未示出)填充于电路板410上覆盖住所有元件，以保护电路板410上的所有元件。
再者，在此领域的技术人员也可以进一步的处理晶癖面，来形成反射率更佳的反射层。例如，于晶癖面上331镀上金属层(例如银)，或者介电高反射膜层。
另外，在此领域的技术人员也可以将激光二极管402与光学元件332直接固定于次粘着基板404后，再将次粘着基板404固定于电路板410表面。或者，于电路板410表面，激光二极管402的另外一侧固定一光检测器(未示出)，用来接收激光二极管402后表面发射的监测激光光束(monitoring light beam)。
再者，上述图3C的光学元件也可以进一步的加工成为具有特定功能的光学元件。请参照图5A，其所示出为本发明的另一光学元件示意图。另外，图5B为本发明的封装结构第二实施例。基本上，以下的光学元件500，是加工图3C的光学元件336所形成。当然，也可以用光学元件332来取代，不再赘述。
如图5A所示，于硅基板310的斜面以及上表面进行掺杂工艺，用以形成一掺杂层520与一PN接面(junction)。举例来说，假设硅基板为P型基板，则进行N型掺杂工艺以形成N型掺杂层，而P型基板与N型掺杂层交界即为PN接面。另外，形成一介电层530覆盖于掺杂层520上，亦即让介电层530覆盖于硅基板310的斜面，接着形成一电极525接触于掺杂层520。
基本上，介电层530可以根据实际的需求，来形成特定反射率的介电层530。举例来说，95％的反射率，5％的穿透率的介电层530。因此，穿透过介电层530的激光光束进入PN接面，即因光电效应产生感应光电流。换言之，图5A所公开的光学元件500，为具有反射功能以及光检测功能的反射与检测整合元件。
当然，除了设计高反射率与低穿透率的介电层530的外，也可以设计为低反射率与高穿透率的介电层530。在此条件的下所设计出的光学元件500，由于大部分的激光光束穿透至PN接面，少部分的激光光束被反射，所以可作为光侦侧功能的光学元件500。
请参照图5B，其所示出为本发明的封装结构第二实施例。此封装结构包括一电路板550、一激光二极管502、一次粘着基板504、与一光学元件500。其中，激光二极管502固定于次粘着基板504。再者，次粘着基板504与光学元件500固定于电路板550表面。再者，激光二极管502与次粘着基板504形成激光元件，且电路板550是为一种散热基座，且光学元件500是为一反射与检测整合元件。
由图5B所示，于此封装结构中，激光二极管502由前表面发射输出激光光束560。而输出激光光束560经由光学元件500的介电层530，将输出激光光束中的第一部分564进入PN接面，用以产生感应光电流。另外，输出激光光束中的第二部分562，经由反射改变输出激光光束的路径。因此，即完成本发明的封装结构。当然，于最后的工艺中，可将硅胶(未示出)填充于电路板550上覆盖住所有元件，用以保护电路板550上的所有元件。
同理，在此领域的技术人员也可以将激光二极管502与光学元件500直接固定于次粘着基板504后，在将次粘着基板504固定于电路板550的表面。
请参照图5C，其所示出为本发明的封装结构第三实施例。此封装结构包括一电路板570、一激光二极管502、一次粘着基板504、与一光学元件500。其中，激光二极管502固定于次粘着基板504。再者，次粘着基板504与光学元件500固定于电路板570表面。再者，激光二极管502与次粘着基板504形成激光元件，且电路板570是为一种散热基座，且光学元件500是为光侦侧功能的光学元件500。
由图5C所示，于此封装结构中，激光二极管502由前表面发射输出激光光束572，由后表面输出监测激光光束574。因此，监测激光光束574经由光学元件500的介电层530，将监测激光光束574中的大部分穿透进入PN接面，用以产生感应光电流。另外，监测激光光束中的小二部分(未示出)则被反射。因此，即完成本发明的封装结构。当然，于最后的工艺中，可将硅胶(未示出)填充于电路板570上覆盖住所有元件，用以保护电路板570上的所有元件。
请参照图5D，其所示出为本发明的封装结构第四实施例。此封装结构包括一电路板410、一激光二极管402、一次粘着基板404、一第一光学元件332、一第二光学元件500。其中，激光二极管402固定于次粘着基板404。再者，次粘着基板404与第一光学元件332固定于电路板410的一表面。再者，激光二极管402与次粘着基板404形成激光元件，且电路板410是为一种散热基座，第一光学元件332是作为反射元件，且第二光学元件500为具备光侦侧功能的光学元件。
由图5C所示，于此封装结构中，激光二极管402由前表面发射输出激光光束420，由后表面发射监测激光光束422。而输出激光光束经由第一光学元件332的晶癖面331(反射面)反射改变大部分输出激光光束的路径。再者，监测激光光束422经由第二光学元件500的介电层530，使得大部分的监测激光光束422进入PN接面，用以产生感应光电流，而少部分的监测激光光束(未示出)经由反射改变监测激光光束的路径。
当然，于最后的工艺中，可将硅胶(未示出)填充于电路板410上覆盖住所有元件，以保护电路板410上的所有元件。
再者，在此领域的技术人员也可以进一步的处理晶癖面，来形成反射率更佳的反射层。例如，于晶癖面上331镀上金属层(例如银)，或者介电高反射膜层。
另外，在此领域的技术人员也可以将激光二极管402、第二光学元件500与第一光学元件332直接固定于次粘着基板404后，再将次粘着基板404固定于电路板410表面。
另外，本发明的光学元件也可以于硅基板上进行切割而直接形成一斜面，并处理斜面来形成光学元件的反射面。请参照图6A至图6C，其所示出为本发明再一光学元件的制作示意图。
首先，于硅基板(substrate)610的第一表面(上表面)，利用45度的斜面切割刀(45o bevel blade)切割硅基板610并形成V型沟槽。再者，沟槽的二侧壁与硅基板610的第二表面(下表面)的夹角为45度。
如图6B所示，于612、614、616位置直切硅基板610后形成分离的多个光学元件632、634、636、638。当然，上述的斜面切割刀(bevel blade)的切割角度可依照实际所需的角度进行切割，并不限定于45度。
再者，光学元件632、634、636、638的斜面与基板的第二表面呈现45度的夹角，适合加工后形成反射面，并运用于本发明面射型激光的封装结构。
以下以光学元件630为例来继续作说明。如图6C所示，由于经过切割后的斜面650很粗糙。因此，需先进行一平坦化工艺。在平坦化工艺中，先利用旋涂式(spin on glass，SOG)工艺(或其它高分子材料)，于于斜面650上形成一液态SiO2层。之后，固化(curing)后的SiO2层651之后即可增加斜面650的平坦性。接着，在于SiO2层651上再形成一反射层652，其材料可为金属(例如银)，或者介电材料。
当然，平坦化工艺也可以用蚀刻来取代，利用蚀刻液(etchant)将进行斜面650的蚀刻，即可平坦化斜面650。之后，再形成一反射层即可。
请参照图7，其所示出为本发明的封装结构第五实施例。此封装结构包括一电路板710、一激光二极管702、一次粘着基板704、与一光学元件632。其中，激光二极管702固定于次粘着基板704。再者，次粘着基板704与光学元件632固定于电路板710表面。再者，电路板710是为一种散热基座。
由图7所示，于此封装结构中，激光二极管702由前表面发射输出激光光束720。而输出激光光束经由光学元件732的反射层652而改变输出激光光束的路径。因此，完成本发明面射型激光的封装结构。当然，于最后的工艺中，可将硅胶(未示出)填充于电路板710上，用以保护电路板710上的所有元件。
再者，在此领域的技术人员也可以将激光二极管702与光学元件632直接固定于次粘着基板704后，在将次粘着基板704固定于电路板710表面。或者，于电路板710表面激光二极管702的另外一侧，固定一光检测器(未示出)，用来接收激光二极管702后表面发射的监测激光光束(monitoring light beam)。
由以上的说明可知，本发明的优点是提出一种边射型激光二极管的光束转向封装结构及其相关元件。将边射型激光二极管与光学元件进行封装，其具备小尺寸的优势，可运用于小型电子装置(例如手机)。
综上所述，虽然本发明已以较佳实施例公开如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。
Claims (3)
1.一种封装结构的光学元件，包括：
一基板，具有一斜面、一第一表面与一第二表面，且该斜面与该第二表面之间具有一夹角；
一掺杂层，位于该第一表面与该斜面下方；
一介电层，覆盖于该斜面上；以及
一电极，接触于该掺杂层；
其中，该介电层可被一激光光束的第一部分所穿透，且可反射该激光光束的第二部分，使得该光学元件根据该激光光束的该第一部分产生一感应光电流。
2.如权利要求1所述的封装结构的光学元件，其特征在于，利用蚀刻工艺，于该光学元件上形成一晶癖面并成为该斜面。
3.如权利要求1所述的封装结构的光学元件，其特征在于，利用切割工艺，于该光学元件上形成该斜面。
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