CN1249697C

CN1249697C - 集成光学器件

Info

Publication number: CN1249697C
Application number: CNB2004100337454A
Authority: CN
Inventors: 山内净
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2003-04-10
Filing date: 2004-04-09
Publication date: 2006-04-05
Anticipated expiration: 2024-04-09
Also published as: DE602004004429T2; US20040202212A1; CN1538411A; US7214997B2; DE602004004429D1; TW200428379A; TWI261245B; EP1467359B1; JP2004311860A; EP1467359A1

Abstract

本发明提供了一种集成光学器件，实现了其外形设计中的更高灵活性，并确保了气密性密封，该集成光学器件包括安装有光源的陶瓷衬底，固定到该衬底上的覆盖件，用于覆盖所述光源，以及附着所述衬底的树脂模件外壳，其中，衬底上的金属接头部分与覆盖件上的金属接头部分被接合起来，另外使用透明材料将衬底或覆盖件中的通孔密封起来，以对光源进行气密性密封。

Description

集成光学器件

技术领域

关于集成光学器件，本发明涉及一种用于确保包括发光元件的光源部分的气密性密封，并且在设计其封装的外形时允许更高灵活性的技术。

背景技术

集成光学组件包括诸如半导体激光器的光源和/或使用光电二极管的光接收元件，已知这种集成光学组件适合于光学器件的小型化和轻便化。例如，这样一种光发射/接收元件可用在一种光学头器件中(所谓光学拾取器)，该头器件用于将信号记录到光学记录介质中并从中再现。

在这类器件中，当不对其发光元件进行气密性密封(塑封)时，使用树脂成型封装，这是因为在外形设计中，这种封装方式由于利用模具的树脂成型方法的优点而具有更大的自由度。然而，在有的情况下，为了消除周围空气中杂质的负面作用，因而需要对发光元件等进行气密性密封，这时就会出现下列问题：或者因所要使用的树脂材料的特性限制而无法实现充分的密封，或者在特定的环境下无法使用特定的粘合剂，而这种粘合剂是为获得必要的密封能力所必需的。

例如，在一些例子中，考虑了在光发射/接收元件的封装中对其进行气密性密封，为此提出了以下方法，一种方法是通过在其中安置了发光元件、光接收元件、光学组件等之后粘结密封玻璃而密封陶瓷封装，另一种方法是用密封玻璃来密封覆盖金属封装的金属帽。另外，已知一种方法，用于将发光元件固定到一个金属件上，并将金属件附着到一个透明构件上，如以下专利参考文件中所公开的内容(日本专利申请公开No.2001-52364，图1和2)。

发明内容

然而，根据这些例子，存在与其相关的下列问题，限制了外形设计的自由度和元件的气密性密封。

例如，在使用陶瓷或金属封装的结构的例子中，很难得到一种复杂的形状，而且还必须对封装进行整体气密性密封。此外，在以下结构的例子中，即安装有发光元件等的衬底被用于气密性密封的覆盖件所覆盖，这时，当上述两种构件被粘结在一起后，很难验证两者之间的气密性密封是否严密，或者需要一种考虑环境变化和时间变化的工艺控制。

本发明的目的就是解决与现有技术相关的上述缺陷，从而提高在集成光学器件的设计中的自由度，还要确保其气密性密封。

本发明提出了具有下列构造特点的集成光学器件。

根据本发明的一种集成光学器件包括陶瓷衬底、覆盖件和树脂模件外壳，在所述陶瓷衬底上安装有包括发光元件的光源，所述覆盖件固定在所述陶瓷衬底上，用于覆盖安装于其上的光源，所述陶瓷衬底附着在所述树脂模件外壳上。

通过将形成在陶瓷衬底上的光源部分周围的金属接头部件与形成在覆盖件上的金属接头部件接合起来，并且通过使用由透明材料制成的密封件来密封一条形成在陶瓷衬底中或覆盖件中的光路(即，一个孔或切口，用于透过从发光元件发出的光)，就可以形成对其光源部分的气密性密封。

因此，根据本发明，由于安装光源部分的陶瓷衬底附着在树脂模件外壳上，因而提高了设计外形时的灵活性。此外，通过将形成在陶瓷衬底以及与其对应的覆盖件上的各个金属接头部件接合起来，就可以得到改进的气密性密封，并且还可以实现专门针对必需部分的气密性密封，所述必需部分包括发光元件、有关的光学组件及其邻近区域。

根据本发明的一个方面，安装在陶瓷衬底上的光源部分可用覆盖件和密封件来密封，而其它不需要气密性密封的部分可用树脂模件外壳来包装，从而能以较高的自由度实现其外形设计，并适合于其小型化。

根据本发明的另一方面，由于在光源处产生的热量被有效地从陶瓷衬底传输到热传导材料，因此实现了散热改进，从而保证了器件的高性能和高可靠性。

根据本发明的另一方面，根据其中光学设计的必要性，可以适当地限定发光元件和光接收元件在光源的安装表面的垂直方向上的相对位置。

附图说明

结合附图，从以下对优选的、示例性实施例的描述中，将清楚本发明的以上和其它目的、特点和优点，其中：

图1是示出根据本发明实施例的集成光学器件的构造示例的示意图；

图2连同图3和图4示出的分解立体图示出了根据本发明实施例的集成光学器件的各个主要部分；

图3是图2中所述的主要部分的截面图；

图4是用于解释图2中光源部分的气密性密封的示意图；

图5连同图6示出的示意图示出了在根据本发明的另一个实施例的横截面中的主要部分的构造示例；以及

图6是图5中所述的主要部分的截面图，其示出了对其光源部分的气密性密封。

具体实施方式

本发明提供了一种集成光学器件，通过将一部分气密性密封限制在安装有发光元件、光学组件等的最小范围的区域内，所述集成光学器件能够保证充分的气密性密封，并且还能确保实现其小型化和性能改进。

参考图1，示出了根据本发明的集成光学器件的一个示例性实施例，包括具有发光元件和光接收元件的光发射/接收器件。

集成光学器件1包括：其上安装有光源部件2的衬底3；固定在所述衬底3上、用于覆盖所述光源部件2的覆盖件4；和所述衬底3附着其上的外壳件(封装)5。

根据本发明的实施例，光源部件2包括诸如半导体激光器的发光元件2a和诸如反射棱镜(prism mirror)的光学组件，两者都被限制在覆盖件4和衬底3之间形成的一个空间内。此外，在衬底3上形成一个通孔作为光路3a，用于允许从发光元件2a发出的光通过，接着用透明材料制成的密封件6来封闭这个通孔。

光学单元7附着在由树脂模件形成的外壳件5上。光学单元7包括两个光学构件8、9，其中光学构件8是一个基构件，而安装在它上面的另一个光学构件9是一个复合棱镜。此外，在附着于外壳5的光学构件8上安装有各种光学组件，例如衍射光栅、波片、透镜等，另外，在光学构件9上安装了光分支膜(optical branch film)、偏振分光膜、波片等。

固定在外壳件5上的光接收元件10检测进入光学单元7的光。

集成光学器件1可应用于各种类型的光设备、测量仪器、光学记录和再现装置等。作为示例将描述光学头，其用于将信号记录到光学记录介质中以及从中再现，所述光学记录介质例如是光盘、磁光盘、相变盘等。在这种设置中，从发光元件2a中发出的光被光学组件2b改变光路90°，经过光学构件8中的多个光学组件，并经由复合棱镜上的偏振分光膜而射向盘。经由外部的透镜系统(包括物镜)，发射的光被辐射到盘的记录面上。从该记录面上反射回来的反馈光被反射到(光学构件9中的)复合棱镜的偏振分光膜上，并经过棱镜上的光分支膜，从而允许其衍射光到达光接收元件10，以进行检测。

根据本发明，作为对安装在衬底上的光源部件进行气密性密封的可能结构，考虑例如以下两种构造。

(I)第一实施例I被构造为使得覆盖件固定到其上安装有光源部件的衬底的一部分上，并且在衬底中形成一个允许从发光元件发出的光通过的光路，随后用密封件将这个光路密封起来。

(II)第二实施例II被构造为使得覆盖件固定到其上安装有光源部件的衬底的一部分上，并且在覆盖件中形成一个允许从发光元件发出的光通过的光路，随后用密封件将这个光路密封起来。

实施例I

图2到4示出了本发明第一实施例(I)的构造的示例，其中，图2示出了在从封装后侧观看时，其主要部分(除了它的光学单元之外)的分解立体图，图3示出了所述主要部分的截面示意图，图4示出了用于密封光源部分的主要部分的示意图，其中从衬底上去除了覆盖件。

如图2所示，集成光学器件11包括提供有接线端部件的树脂封装12、其上安装有光源的衬底13和将要固定在衬底13上的覆盖件14。

树脂模件的树脂封装12具有各种功能，用于机械地在上面固定各个元件，提供伸出的接线端，散热，隔离外部空气等。例如，多个输入/输出接线端、导线框架等被插入压模在树脂中，并且设置具有预定数量的外伸管脚的接线端部件12a用于和外部电路进行电连接。树脂封装12具有基准板，在与诸如光拾取器的组成要件等外部件(图中未示出)相连接时使用。在这个实施例中，金属制成的导线框架12b被当作基准板使用。当将树脂封装附加到其它组件上时，这种基准板起到机械支撑的作用，另外，通过将在光源、发光元件等当中产生的热量传导到外部构件去，它也起到散热的作用。

衬底部件13由光源部件15、陶瓷衬底16和密封件17组成，如图3、4所示。

在这个实施例中，光源部件15是一个激光源，并且带有激光芯片的激光二极管被安装在一个安装构件上，它用作发光元件15a。接着，作为组成光源部件15的光学组件15b，一个反射棱镜，即所谓的提升镜，其反射面朝向激光芯片的发射面，用于反射从激光芯片发射的光，使得激光路径改变90°，即垂直于来自激光芯片的激光辐射的方向。

陶瓷衬底16例如是一个多层衬底，由适于阻挡气体和液体的材料例如氧化铝、氮化铝等制成。在陶瓷衬底16上用于安装光源部件15的安装面的四周，形成了金属接头部分16a。即，根据本发明的这个实施例I，通过蒸镀或电镀出金属膜而在陶瓷衬底上形成闭环(没有端口)的金属接头部分16a，所述金属膜例如可以将在放置有激光二极管和反射棱镜的衬底的安装面上的特定部分围绕起来。此外，在陶瓷衬底16上形成一个通孔16c，其构成了一个光路16b，从光源15发射的光从该光路中通过，如图3和4所示。

密封件17是使用透明材料形成的，例如玻璃或具有高熔点的树脂。根据本发明的这个实施例I，这个密封件17被固定在陶瓷衬底16上与光源15的安装面相反的背面。使用这个密封件17，通孔16c的开口被封闭，从而被密封起来。

覆盖件14被固定在陶瓷衬底16上，以覆盖光源15。因此，覆盖件14具有金属接头部分14a，用于接合衬底一边的上述金属接头部件16a。根据这个实施例I，如图2所示，覆盖件14被做成其中一面开口的长方形平面六面体形状，所述开口的边缘确立了其金属接头部分14a，并且具有与衬底上与之接合的金属接头部件16a相对应的形状。可以使用金属、玻璃、树脂等形成覆盖件14。当使用金属时，其开口的边缘本身就是金属接头部分14a，当使用玻璃等材料时，就必须在其开口的边缘上形成一层金属膜或类似的东西，用于提供金属接头部分14a。

通过将陶瓷衬底16的金属接头部件16a和覆盖件14的金属接头部分14a接合起来，再用密封件17将陶瓷衬底16中的光路16b密封起来，就可以保证对衬底部件13上的光源部件15的气密性密封。即，通过焊接或者熔接将金属接头16a和14a接合起来，就可以实现高可靠性的气密性密封。另外通过将作为密封件17的透明材料粘合到通孔16c的开口上，或者通过在陶瓷衬底16和密封件17上形成金属膜，并接着将两者焊接或以其它方式接合起来，从而提供光源15的气密性结构。

作为例子，虽然可以通过粘合将覆盖件14和陶瓷衬底16接合起来，但是很难保证气密性密封的严密性，除非能确保粘合剂充分的重叠宽度(粘合宽度)，因此，优选的是采用本发明的上述方法，即通过金属接头将两者接合起来。

参考图4，将描述光源15的电源。在这个实施例I中，陶瓷衬底16具有双层结构，其中，插入第一和第二层之间的配线在衬底上安装发光元件的安装面和布置有密封件17一侧的背面之间进行电连接。更具体地说，在陶瓷衬底16的第一层16_1的表面中，提供接线端18以和发光元件15a相连，接线端18还通过配线结构19与在其背面的第二层16_2中所提供的接线端20相连，所述配线结构19形成在第一层16_1和第二层16_2之间。这个接线端20还与树脂模件12的外部接线端相连，以进行外部连接，当从诸如激光驱动电路的电源电路(未示出)向其供电时，发光元件15a被激发来发射光，发出的光在被光学组件15b反射时改变其光路90°，然后穿过通孔16c，再经过密封件17，而后被发射出去。

作为例子，可以使用金属衬底来取代陶瓷衬底，但是，在这种情况下，有必要进行设置，使得在衬底中形成通孔，并且提供一个穿过该通孔，却不接触金属衬底的金属接线端，并且在金属接线端和衬底之间插入绝缘材料，例如低熔点玻璃等，用于紧密加固，因而它的配线处理比较复杂，而且对其气密性密封的验证不太容易。因此考虑各种优点，例如在电极和配线布局中的更高的自由度，以及对气体和液体的气密性密封的可靠性等，与金属衬底相比，使用陶瓷衬底是优选的。

参考图3，衬底13被包在树脂封装12中。这里，在附图中的符号“S”表示插入压模的(insert-molded)树脂封装12的参考平面(标准基准平面)，从向外发射激光束的正面方向来看，这个参考平面位于树脂封装12的背面，并且其中，安装有气密性密封后的光源部件15的衬底部件13被放置在参考平面“S”一侧上，并使用例如焊料、银膏等具有良好热传导性的固定材料将其固定在规定的位置上。然后，使用例如引线接合法等对树脂封装12上所提供的输入/输出端进行接线。

根据本发明的这个实施例I，光接收元件21被安装在树脂封装12中与衬底13一侧相反的表面上。这是想要通过在与陶瓷衬底16的安装面正交的方向上，在发光元件15a的光发射点的位置和光接收元件21的光接收表面之间提供适当的光学距离，实现一种方便其光学设计的效果。

参考图4，优选地，在将要安装到树脂封装12上的陶瓷衬底16的一部分上提供由金属等制成的热传导面22、22，并且还在树脂封装12上提供具有很高热传导性的热传导件23、23，使得热传导部分22、22分别与热传导材料23、23相连，从而提高光源15的散热能力。作为例子，根据本发明的实施例I，由金属制成的导线框架12b也被用作热传导材料，以向外散热。

实施例II

现在，参考图5和6，下面将阐述具有上述构造类型(II)的本发明第二实施例。根据本发明第二实施例II的集成光学器件11A的主要部分与第一实施例I的集成光学器件11的不同之处基本如下文所述。因此，将使用与集成光学器件11的描述中同样的标号和符号来表示以上两个实施例I和II之间一样的相同部分，不再对其进行进一步的描述。

(a)在用于覆盖安装在陶瓷衬底16A上的光源部件15的覆盖件14A中设有光路24，并用透明密封件25来密封形成该光路的通孔24a。

(b)光接收元件21被安装在陶瓷衬底16A上，并且衬底部件13A被固定在图5中被称为“S”的参考平面的同一侧，即在树脂封装12A中的基准板(导线框架等)的同一方向上，所述衬底部件13A既具有光接收元件21，又具有安装其上的气密性密封后的光源部件15。

在根据本发明第一实施例I的集成光学器件11中，如果从向外发射的光的相反方向看，安装光源的衬底13被放置在树脂封装12的背面。相反，在根据本发明第二实施例II的集成光学器件11A中，如果从光源15的出射光的相反方向看，它的衬底13A被放置在参考平面上，其位于树脂封装12A的正面。

参考图6，通过将在陶瓷衬底16A上的光源15的四周形成的金属接头部分26与覆盖件14A的金属接头部分27通过焊接或者熔接而接合起来，覆盖件14A就被固定到陶瓷衬底16A上。通过用密封件25将覆盖件14A中的通孔24a密封起来，就得到了对光源部件15的气密性密封结构。作为例子，在本发明的第二实施例II中，密封玻璃的一部分25a被插入到通孔24a中并用粘合剂等固定其中。

如图6所示来提供光源15的电源，其中陶瓷衬底16A具有双层结构，并且在陶瓷衬底16A的第一层“16A_1”的表面上，即在安装面内提供了用于与发光元件15a相连的接线端28，接线端28经由在第一层“16A_1”和第二层“16A_2”之间形成的配线结构29，与设置在第一层“16A_1”的表面上的另一个接线端30互连。这个接线端30与树脂封装12A用于外部连接的外部接线端相连。当由诸如激光驱动电路的外部电路(未示出)供电时，发光元件15a被激发来发射光，发出的光在光学组件15b上改变其光路90°，然后穿过通孔24a和密封件25，而后发射出去。

此外，光接收元件21被放置在陶瓷衬底16A上安装光源部件15的那一侧的表面上。这说明了以下情形，其中，当使用短波长激光等时，按照其光学设计的需要，在与来自光源15的光的出射方向平行的方向上，即，在衬底16A的安装面的垂直方向上，发光元件15a的发光点的位置和光接收元件21的接收平面的位置被设置成相同或相近。

根据本发明的这个实施例II，通过在衬底的纵向方向上确保充足的长度，使得光源部件15和光接收元件21都被安装在同一衬底上，就能够将光的发射点的位置和光的接收平面的位置保持在与衬底的安装面正交的方向上的同一位置或高度上。

根据上述本发明的实施例I和II的设置，就可以获得以下优点。

在集成光学器件中只有那些需要密封的部分才被气密性密封，例如激光二极管，而其它不需要气密性密封的部分则用树脂模件来封装，从而能够以更大的自由度来设计其外形。由此，通过将气密性密封限制在最小的必要部分中，就可以实现集成光学器件的小型化。

通过最小化需要气密性密封的部分的体积，就可以实现高效率的气密性密封。

由于气密性密封后的部分可以封闭在树脂封装的内部，因此可以保证其设计中的更大自由度。

通过使用具有高传热性的陶瓷衬底，就可以当在其上安装热源元件时确保更好的散热能力。

通过进行布置，将光接收元件安装在树脂封装中与安装陶瓷衬底的表面相对的背面上，就可以使光学设计变得更容易。或者，根据其设计要求，也可以将光接收元件安装在与陶瓷衬底上的发光元件相同的安装面上。

对于上述实施例I和II而言，发光元件和光学组件都被覆盖件覆盖，然而，并不局限于此，其它各种修改和变化都应当被解释为属于本发明的范围内，例如发光元件的输出监视电路、温度传感器等和发光元件一起也被覆盖件所覆盖。

最后，上述实施例和例子仅仅是本发明的例子而已。应当注意到，本发明并不局限于这些实施例和例子，在不背离本发明的范围的情况下，可以根据其设计做出各种修改、组合和从属组合。

本文件是基于2003年4月10日提交给日本特许厅的日本优先权文件JP2003-106155，该文件的全部内容都被包括进来作为参考。

Claims

1.一种集成光学器件，包括

陶瓷衬底，其上安装有包括发光元件的光源，并且形成有一条光路，用于通过从所述发光元件发出的光；

覆盖件，附着在所述陶瓷衬底上，用于覆盖安装在所述陶瓷衬底上的所述光源；和

树脂模件外壳，所述陶瓷衬底附着在它上面；其中

通过将形成在所述陶瓷衬底上的所述光源部分周围的金属接头部件与形成在所述覆盖件上的金属接头部件接合起来，并且通过使用由透明材料制成的密封件来密封所述光路，就可以形成对所述光源部分的气密性密封。

2.一种集成光学器件，包括：

陶瓷衬底，其上安装有包括发光元件的光源；

覆盖件，附着在所述陶瓷衬底上，用于覆盖安装在所述陶瓷衬底上的所述光源，所述覆盖件还设有一条光路，用于通过从所述发光元件发出的光；和

树脂模件外壳，所述陶瓷衬底附着在它上面；其中

3.如权利要求1所述的集成光学器件，其中，在所述陶瓷衬底与所述树脂模件外壳相接合的附着部分设有一个热传导面，该热传导面与在所述树脂模件外壳上设有的热传导件相连。

4.如权利要求2所述的集成光学器件，其中，在所述陶瓷衬底与所述树脂模件外壳相接合的附着部分设有一个热传导面，该热传导面与在所述树脂模件外壳上设有的热传导件相连。

5.如权利要求1所述的集成光学器件，其中，光接收元件被安装在所述树脂模件外壳中与其上安装有所述陶瓷衬底的表面面相反的表面上。

6.如权利要求2所述的集成光学器件，其中，光接收元件被安装在与所述陶瓷衬底上的所述光源相同的安装面上。

7.如权利要求1所述的集成光学器件，其中，所述发光元件是半导体激光器。

8.如权利要求2所述的集成光学器件，其中，所述发光元件是半导体激光器。

9.如权利要求1所述的集成光学器件，其中，所述发光元件的光路被光学组件偏转90°。

10.如权利要求2所述的集成光学器件，其中，所述发光元件的光路被光学组件偏转90°。

11.如权利要求1所述的集成光学器件，其中，所述陶瓷衬底是多层衬底。

12.如权利要求2所述的集成光学器件，其中，所述陶瓷衬底是多层衬底。

13.如权利要求11所述的集成光学器件，其中，所述多层衬底具有层间的配线。

14.如权利要求12所述的集成光学器件，其中，所述多层衬底具有层间的配线。