CN109586160B - 高速垂直共振腔面射型激光封装结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高速垂直共振腔面射型激光(Vertical‑Cavity Surface‑Emitting Laser，简称VCSEL)封装结构，主要是凭借一由数个棱镜构成的透镜总成来将VCSEL激光元件发射的激光加以分光，使其一小部分光可被导回一监视用检光器(Monitor PhotoDiode；简称MPD)、其他大部分的光则被导向从光轴射出。此一独特透镜总成的设计不仅可让激光元件的位置无须位于光轴正下方，而能让激光元件更接近接脚以缩短打线距离以降低信号损耗，且更可改善从封盖上的透镜(或透光片)所反射回来的反射光的问题。

Description

高速垂直共振腔面射型激光封装结构

技术领域

本发明涉及一种高速垂直共振腔面射型激光封装结构，尤指一种凭借一透镜总成来将激光元件的光加以分光，使其一小部分光可被导回一监视用检光器，同时更可让激光元件的位置无须位于光轴正下方、而能更接近接脚以缩短打线距离的激光封装结构。

背景技术

垂直共振腔面射型激光(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，简称

VCSEL，又译垂直腔面发射激光器)是一种半导体元件，其激光垂直于顶面射出，与一般用切开的独立晶元制成、且激光由边缘射出的边射型激光有所不同。现有技术上对于VCSEL激光元件的TO-CAN罐型封装元件，都是把VCSEL激光元件设置在封装元件的正中央，也就是光轴正下方，使得由VCSEL激光元件顶面垂直射出的激光可直接沿着光轴行进。然而，这种传统现有的罐型封装方式有两个缺点；一来，在罐型封装元件的封盖上的光窗上通常设置有透镜或透光片，由于VCSEL激光元件是位于封装元件的正中央朝上垂直发射激光，所以会有一小部分的激光会被封盖上的透镜或透光片所反射回VCSEL激光元件，造成干扰；二来，由于VCSEL激光元件是位于封装元件的正中央，所以VCSEL激光元件与封装元件上所设置负责传输信号的接脚的距离相对较远，换言之，于封装过程中将需要以打线方式使用较长的金线来电性连接VCSEL激光元件与相对应的接脚，因而增高了信号传输的损耗程度。因此，这种传统现有的罐型封装方式已渐无法符合光通讯产业对于高速VCSEL激光元件的高速传输速率的需求，而有待进一步改良。

发明内容

缘此，本发明的主要目的系在提供一种高速垂直共振腔面射型激光封装结构，凭借一透镜总成来将激光元件的光加以分光，使其一小部分光可被导回一监视用检光器。如此，可让激光元件的位置无须位于光轴正下方、而能更接近接脚以缩短打线距离以降低信号损耗，且更可改善从封盖上的透镜(或透光片)所反射回来的反射光的问题。

为达上述目的，本发明系提供一种高速垂直共振腔面射型激光封装结构，包括：

一基座，具有一上表面及一下表面；

一封盖，盖合在该基座上，且在该封盖与该基座之间形成一容置空间；在该封盖上设有一光窗，并定义有穿过该光窗且与该基座的该上表面垂直的一光轴；

一激光元件，位于该基座的该上表面，可发出一激光；

一监视用检光器(MPD，Monitor PhotoDiode)，位于该基座的该上表面，可用于接受由该激光元件发出的一部分该激光，以供监视与回授控制该激光元件的发光功率大小；

一透镜总成，位于该基座的该上表面上、且是位于该激光元件与该光窗之间、且是位于该监视用检光器与该光窗之间；

其中，该激光元件与该监视用检光器都不是位于该光轴上；该透镜总成具有一半反射半透射面；由该激光元件发出的该激光是射向该透镜总成，并经由该半反射半透射面将该激光区分成朝向两不同方向行进的一第一光线及一第二光线；该第一光线是沿着该光轴穿过该光窗而射出，而该第二光线则是射向该监视用检光器。

于一实施例中，该透镜总成于一剖面方向上呈一梯形结构且具有包括有：一底面、一第一全反射面、一顶面、一第二全反射面、以及该半反射半透射面；该底面与该基座的该上表面相互平行；该第一全反射面的一端连接在该底面的一端、且该第一全反射面以一第一倾角自该底面朝向该顶面延伸并使该第一全反射面的另一端连接在该顶面；该顶面与该底面平行；该第二全反射面的一端连接在该底面的另一端、且该第二全反射面以一第二倾角自该底面朝向该顶面延伸并使该第二全反射面的另一端连接在该顶面；该半反射半透射面夹设在该透镜总成内部，并且，该半反射半透射面与该第一全反射面平行；

其中，由该激光元件发出的该激光以垂直方向自该底面射入该透镜总成后，经由该第一全反射面将该激光折向该半反射半透射面；大部分的该激光会被该半反射半透射面反射并折向由该顶面射出至该光窗以构成该第一光线；其余小部分的该激光则会透射过该半反射半透射面以构成该第二光线；该第二光线经由该第二全反射面反射折向由该底面射出并由该监视用检光器接收。

于一实施例中，该透镜总成是由一第一棱镜及一第二棱镜所组合构成；该第一棱镜在该剖面方向上呈一平行四边形结构，且该第二棱镜在该剖面方向上呈一等腰三角形结构；该第一棱镜及该第二棱镜两者相邻靠的面就是该半反射半透射面。

于一实施例中，在该半反射半透射面上是凭借镀上至少一层光学膜以提供半反射半透射的功能；其中，至少有一层该光学膜的光折射系数大于该第一棱镜与该第二棱镜的光折射系数。

于一实施例中，该第一棱镜与该第二棱镜的材质是BK7硼硅酸盐玻璃，其光折射系数为1.5168；其中，至少有一层该光学膜的光折射系数介于1.52～2.5之间；其中，该第一倾角是该第一全反射面与该底面之间的内夹角，其角度为45°，并且，该第二倾角是该第二全反射面与该底面之间的内夹角，其角度为45°；其中，该第一光线的光强度约为该激光元件发出的该激光的80％～95％之间，且其余的光强度是做为该第二光线。

于一实施例中，本发明的高速垂直共振腔面射型激光封装结构更包括有：

一透光元件，设置在该光窗；以及

复数个接脚，设置在该基座且穿透该基座的该上表面及该下表面；

其中，该激光元件邻近于其中之一接脚，且是直接凭借打线而电性连接于邻近的该接脚上的一打线垫。

于一实施例中，本发明的高速垂直共振腔面射型激光封装结构更包括有：

一次基板，设置在该基座的该上表面，且该激光元件及该监视用检光器都设置在该次基板上；以及

一凸台，设置在该次基板上且位于该激光元件与该监视用检光器之间，并且，该凸台的高度比该激光元件与该监视用检光器两者都更高；

其中，该透镜总成设置在该凸台上。

此一独特透镜总成的设计不仅可让激光元件的位置无须位于光轴正下方，而能让激光元件更接近接脚以缩短打线距离以降低信号损耗，且更可改善从封盖上的透镜(或透光片)所反射回来的反射光的问题。

附图说明

图1是本发明的高速垂直共振腔面射型激光封装结构的一实施例的剖面示意图。

图2是本发明的高速垂直共振腔面射型激光封装结构的一实施例的俯视示意图。

图3是本发明的高速垂直共振腔面射型激光封装结构中的透镜总成的一实施例的剖面示意图。

附图标记说明：20-封装结构；21-基座；211-上表面；212-下表面；213-外周缘；214-打线垫；215-打线；22-激光元件；23-监视用检光器；24-透镜总成；241-第一棱镜；242-第二棱镜；2411-第一全反射面；2410-右底面；2413-顶面；2422-第二全反射面；2423-左底面；2412、2421-半反射半透射面；251、252-接脚；26-封盖；261-下缘；262-侧壁；263-顶面；264-透光元件；27-次基板；271-凸台；90-光轴；91、911、912、913-激光；92-第一光线；93-第二光线。

具体实施方式

为了能更清楚地描述本发明所提出的高速垂直共振腔面射型激光封装结构，以下将配合图式详细说明的。

本发明的高速垂直共振腔面射型激光(Vertical-Cavity Surface-EmittingLaser，简称VCSEL)封装结构，主要是凭借一由数个棱镜构成的透镜总成来将VCSEL激光元件发射的激光加以分光，使其一小部分光可被导回一监视用检光器(Monitor PhotoDiode；简称MPD)、其他大部分的光则被导向从光轴射出。此一独特透镜总成的设计不仅可让激光元件的位置无须位于光轴正下方，而能让激光元件更接近接脚以缩短打线距离以降低信号损耗，且更可改善从封盖上的透镜(或透光片)所反射回来的反射光的问题。

请参阅图1及图2，分别为本发明的高速垂直共振腔面射型激光封装结构的一实施例的剖面示意图与俯视示意图。于本实施例中，本发明的高速垂直共振腔面射型激光封装结构20是一个光收发装置，其大体上包括了：一基座21、一垂直共振腔面射型激光元件22(VCSEL激光元件；简称激光元件)、一监视用检光器23(Monitor PhotoDiode；简称MPD)、一透镜总成24、复数个接脚251、252、一封盖26、一透光元件264、以及一次基板27。

该基座21(Header)是用来承放、装设、或组合其他元件的基座21，其具有一上表面211、一下表面212、以及位于上表面211外围的一外周缘213。该封盖26(Cap)是一个中空内凹盖子状的元件，其盖合在该基座21上，且在该封盖26与该基座21之间形成一容置空间。于本实施例中，该封盖26具有一环状的下缘261、从该下缘261向上延伸的一环状侧壁262、以及位于该侧壁262顶部的一顶面263。该封盖26的该下缘261以胶合、超音波粘合、紧配卡合、或是焊接等方式固定在该基座21的外周缘213。在该封盖26的顶面263上设有贯穿的一光窗，并定义有穿过该光窗且与该基座21的该上表面211垂直的一光轴90。该光轴90就是激光元件22所发出的激光离开封装结构20时的光路径，于本发明中，该光轴90的方向是垂直在该基座21的该上表面211。该透光元件264设置在该光窗，其材质可以是透明的玻璃或塑胶，除了可以封闭光窗以减少湿气侵入该容置空间之外，若有需要时，在该透光元件264上也可以选择性地设置例如透镜等的光学结构。

该激光元件22是位于该基座21的该上表面211，可发出一激光。于本发明中，该激光元件22是VCSEL激光元件，可朝向激光元件22的正上方发射激光。该监视用检光器23(MPD，Monitor PhotoDiode)，也位于该基座21的该上表面211，可用于接受由该激光元件22发出的一小部分该激光，以供监视与回授控制该激光元件22的发光功率大小。于本发明中，该激光元件22与该监视用检光器23都不是位于该光轴上，其两者(该激光元件22与该监视用检光器23)的中心点分别与该光轴90在水平方向上具有d1与d2的偏移距离。换言之，由该激光元件22发出的激光并非直接垂直向上笔直地沿着光轴90射出封装结构20之外，而是需先经由该透镜总成24来将激光导向、偏移至该光轴90的方向后，再沿着光轴90射出封装结构20的外。

于本发明中，该透镜总成24是位于该基座21的该上表面211上，且是位于该激光元件22与该光窗(透光元件264)之间，且是位于该监视用检光器23与该光窗(透光元件264)之间。该透镜24总成具有一半反射半透射面。由该激光元件22发出的该激光是射向该透镜总成24，并经由该透镜总成24内部的该半反射半透射面将该激光区分成朝向两不同方向行进的一第一光线及一第二光线。其中，该第一光线是沿着该光轴90穿过该光窗(透光元件264)而射出，而该第二光线则是射向该监视用检光器23。

于本发明中，该次基板27(Sub-Mount)设置在该基座21的该上表面211，且该激光元件22及该监视用检光器23都设置在同一个该次基板27上。具体来说，在该次基板27上更设有一凸台271，该凸台271设置在该次基板27的上表面上且是位于该激光元件22与该监视用检光器23之间；并且，该凸台271的高度(厚度)比该激光元件22与该监视用检光器23两者都更高。其中，该透镜总成24设置在该凸台271上所以该透镜总成24高度会高在该激光元件22与该监视用检光器23，并使得该激光元件22与该监视用检光器23分别位于该透镜总成24正下方偏右、左两侧的位置处。

请参阅图3，为本发明的高速垂直共振腔面射型激光封装结构中的透镜总成的一实施例的剖面示意图。于本实施例中，该透镜总成24于一剖面方向上，其整体观的呈一梯形结构，且具有包括有：一底面、一第一全反射面2411、一顶面2413、一第二全反射面2422、以及该半反射半透射面2412。其中，该底面由包括一右底面2410及一左底面2423两者所组合构成，所以，于以下的说明中，该右底面2410及该左底面2423合并称为该底面2410、2423。该底面2410、2423与该基座21的该上表面211相互平行。该第一全反射面2411的一端(下端)连接在该右底面2410的右端，且该第一全反射面2411以一第一倾角自该右底面2410朝向该顶面2413延伸并使该第一全反射面2411的另一端(上端)连接在该顶面2413的右端。该顶面2413与该底面2410、2423平行。该第二全反射面2422的一端(下端)连接在该左底面2423的左端，且该第二全反射面2422以一第二倾角自该左底面2423朝向该顶面2413延伸并使该第二全反射面2422的另一端(上端)连接或邻靠在该顶面2413的左端。该半反射半透射面2412夹设在该透镜总成24内部，并且，该半反射半透射面2412与该第一全反射面2411平行。其中，由该激光元件22发出的该激光91以垂直方向自该右底面2410由下向上射入该透镜总成24后，经由该第一全反射面2411将该激光91折向使其水平射向该半反射半透射面2412(如图3中的激光911所示)。之后，大部分的该激光会被该半反射半透射面2412反射并折向使其垂直朝上并沿着该光轴90由该顶面2413射出至该光窗以构成该第一光线92(如图3中的激光912所示)，其余小部分的该激光则会透射过该半反射半透射面2413以构成该第二光线93(如图3中的激光913所示)。该第二光线93水平射向该第二全反射面2422并经由该第二全反射面2422反射后折向由该左底面2423垂直向下射出并由该监视用检光器23接收(如图3中的第二光线93所示)。

于本实施例中，该透镜总成24是由一第一棱镜241及一第二棱镜242所组合构成。该第一棱镜241在该剖面方向上呈一平行四边形结构，且该第二棱镜242在该剖面方向上呈一等腰三角形结构。该第一棱镜241及该第二棱镜242两者相邻靠的面就是该半反射半透射面2412。其中，在该半反射半透射面2412上是凭借镀上至少一层光学膜以提供半反射半透射的功能；而这至少一层光学膜可以是镀在该第一棱镜241的半反射半透射面2412上，也可以是镀在该第二棱镜242的半反射半透射面2421上。其中，至少有一层该光学膜的光折射系数(n-index)大于该第一棱镜241与该第二棱镜242本身材质的光折射系数。于本发明的一实施例中，该第一棱镜241与该第二棱镜242的材质是BK7硼硅酸盐玻璃，其光折射系数为1.5168。其中，至少有一层该光学膜的光折射系数介于1.52～2.5之间。并且，该第一倾角是该第一全反射面2411与该右底面2410之间的内夹角，其角度为45°，并且，该第二倾角是该第二全反射面2422与该左底面2423之间的内夹角，其角度为45°。其中，该第一光线的光强度约为该激光元件22发出的该激光的80％～95％之间，且其余的光强度则是做为该第二光线，而这第一光线与第二光线的百分比例则可以凭借该半反射半透射面2412上所镀的该至少一层光学膜的结构与光折射系数来控制。

如图1及图2所示，于本发明中，该复数个接脚251、252设置在该基座21且穿透该基座21的该上表面211及该下表面212后向下延伸一预定长度。该复数个接脚251、252中至少包含了用于信号传输的信号接脚251、以及接地接脚252。本发明的封装结构，凭借该透镜总成24的设置，可让该激光元件22的水平位置偏离光轴90并因此更邻近于信号接脚251，且是直接凭借打线215而电性连接于邻近的该接脚251上的一打线垫214。相较于现有直接位于光轴的激光元件，本发明的封装结构的激光元件20位置可更接近信号接脚251，所以可缩短打线215的距离以降低信号损耗；并且，也因为本发明的激光元件20的位置不在光轴90下，所以从封盖26上的透光元件264(透镜或透光片)所反射回来的反射光会因为该透镜总成24的存在而降低对于激光元件22的直接影响，确实可改善现有技术的种种问题。

以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可作出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高速垂直共振腔面射型激光封装结构，其特征是包括：

一基座，具有一上表面及一下表面；

一封盖，盖合在该基座上，且在该封盖与该基座之间形成一容置空间；在该封盖上设有一光窗，并定义有穿过该光窗且与该基座的该上表面垂直的一光轴；

一激光元件，位于该基座的该上表面，能够发出一激光；

一监视用检光器，位于该基座的该上表面，可用于接受由该激光元件发出的一部分该激光，以供监视与回授控制该激光元件的发光功率大小；

一透镜总成，位于该基座的该上表面上、且是位于该激光元件与该光窗之间、且是位于该监视用检光器与该光窗之间；

其中，该激光元件与该监视用检光器都不是位于该光轴上；该透镜总成具有一半反射半透射面；由该激光元件发出的该激光是射向该透镜总成，并经由该半反射半透射面将该激光区分成朝向两不同方向行进的一第一光线及一第二光线；该第一光线是沿着该光轴穿过该光窗而射出，而该第二光线则是射向该监视用检光器；

其中，该透镜总成在一剖面方向上呈一梯形结构且包括有：一底面、一第一全反射面、一顶面、一第二全反射面、以及该半反射半透射面；该底面与该基座的该上表面相互平行；该第一全反射面的一端连接在该底面的一端、且该第一全反射面以一第一倾角自该底面朝向该顶面延伸并使该第一全反射面的另一端连接在该顶面；该顶面与该底面平行；该第二全反射面的一端连接在该底面的另一端、且该第二全反射面以一第二倾角自该底面朝向该顶面延伸并使该第二全反射面的另一端连接在该顶面；该半反射半透射面夹设在该透镜总成内部，并且，该半反射半透射面与该第一全反射面平行；

其中，由该激光元件发出的该激光以垂直方向自该底面射入该透镜总成后，经由该第一全反射面将该激光折向该半反射半透射面；大部分的该激光会被该半反射半透射面反射并折向由该顶面射出至该光窗以构成该第一光线；其余小部分的该激光则会透射过该半反射半透射面以构成该第二光线；该第二光线经由该第二全反射面反射折向由该底面射出并由该监视用检光器接收；

其中，该激光、该第一光线、该第二光线以及该光轴全都是和该上表面垂直；该第一光线是位于由该激光元件发出的该激光以及该第二光线之间且和该激光及该第二光线两者都相隔一间距且都相互平行；

其中，该半反射半透射面并不是位于该激光元件或该监视用检光器的正上方；该半反射半透射面是位于该光轴上；该激光元件与该监视用检光器都不是位于该光轴上。

2.根据权利要求1所述的高速垂直共振腔面射型激光封装结构，其特征在于，该透镜总成是由一第一棱镜及一第二棱镜所组合构成；该第一棱镜在该剖面方向上呈平行四边形结构，且该第二棱镜在该剖面方向上呈等腰三角形结构；该第一棱镜及该第二棱镜两者相邻靠的面就是该半反射半透射面。

3.根据权利要求2所述的高速垂直共振腔面射型激光封装结构，其特征在于，在该半反射半透射面上是凭借镀上至少一层光学膜以提供半反射半透射的功能；其中，至少有一层该光学膜的光折射系数大于该第一棱镜与该第二棱镜的光折射系数。

4.根据权利要求3所述的高速垂直共振腔面射型激光封装结构，其特征在于，该第一棱镜与该第二棱镜的材质是BK7硼硅酸盐玻璃，其光折射系数为1.5168；其中，至少有一层该光学膜的光折射系数介于1.52～2.5之间；其中，该第一倾角是该第一全反射面与该底面之间的内夹角，其角度为45°，并且，该第二倾角是该第二全反射面与该底面之间的内夹角，其角度为45°；其中，该第一光线的光强度为该激光元件发出的该激光的80%~95%之间，且其余的光强度是做为该第二光线。

5.根据权利要求1所述的高速垂直共振腔面射型激光封装结构，其特征在于，还包括有：

一透光元件，设置在该光窗；以及

复数个接脚，设置在该基座且穿透该基座的该上表面及该下表面；

其中，该激光元件邻近于其中之一接脚，且是直接凭借打线而电性连接于邻近的该接脚上的一打线垫。

6.根据权利要求1所述的高速垂直共振腔面射型激光封装结构，其特征在于，还包括有：

一次基板，设置在该基座的该上表面，且该激光元件及该监视用检光器都设置在该次基板上；以及

一凸台，设置在该次基板上且位于该激光元件与该监视用检光器之间，并且，该凸台的高度比该激光元件与该监视用检光器两者都更高；

其中，该透镜总成设置在该凸台上。

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