TWI334498B - Integrated optical detector in semiconductor reflector - Google Patents

Description

1334498 九、發明說明： t發明所屬之技術領域3 發明領域 本發明概括有關光學部件，且更確切言之，本發明有 5 關光學偵測器。 I：先前技術3 發明背景 因為以銅為基礎的電互連件係為簡單、便宜、易懂且 可靠，在短距離連接電部件時很常使用以銅為基礎的電互 10 連件。然而，隨著互連件頻寬需求持續增加，對於印刷電 路板(PCB)上以銅為基礎的電互連件之頻寬限制係由於諸 如信號衰減、電磁干擾(EMI)及串擾等議題而增加。 雷射係為經由經刺激發射來發光且以從紅外線至紫外 線的一頻率頻譜來產生同調光束之為人熟知的部件並可使 15 用在廣泛不同的應用中。光通信或網路應用中，可使用半 導體雷射來產生在其上編碼及傳輸資料或其他資訊之光或 光束。 【發明内容3 本發明係為一種裝置，包含：一反射表面，其被界定 20 於半導體材料上，該反射表面用以將一入射光束反射朝向 一光學目的地；及一光學偵測器，其被單體性地整合於該 半導體材料的反射表面中及/或附近，該光學偵測器配置於 該半導體材料的反射表面中以偵測該入射光束。 本發明亦為一種方法，包含：將一光束導引朝向一半 5 1334498 導體材料；自一被界定於該半導體材料中之反射表面顯著 地反射該光束；藉由一被單體性地整合於該半導體材料的 反射表面中之光學偵測器來偵測入射在被界定於該半導體 材料中的該反射表面上之該光束；及將自該半導體材料反 5 射之該光束導引至一光學目的地。 本發明又為一種系統，包含：一光源，其用以產生一 光束；一反射表面，其被界定於半導體材料上，該反射表 面係用以反射自該光源所接收之光束；一光學偵測器，其 被單體性地整合於該半導體材料的反射表面中，該光學偵 10 測器配置於該半導體材料的反射表面中以偵測該入射光 束；一光纖，其配置於該半導體材料中，該反射表面係用 以將自該光源接收之光束反射至該光纖的一端中；及一光 學接收器，其光學耦合至該光纖的另一端以接收該光束。 圖式簡單說明 15 附屬圖式中藉由範例而非限制來示範本發明。 第1圖為顯示根據本發明的教導之一包括一集成光學 偵測器之耦合部件的一實施例之一橫剖面的圖式； 第2圖為顯示根據本發明的教導之一包括一集成光學 偵測器之耦合部件的另一實施例之一橫剖面的圖式； 20 第3圖為顯示根據本發明的教導包括一集成光學偵測 器之經由反射器的各不同實施例光學耦合至一光纖之一光 源的一實施例之圖式； 第4圖為顯示根據本發明的教導單體性地整合在被界 定於一半導體材料中的一光學反射器中及/或附近之一光 6 學偵測器的一實施例之圖式； 第5圖為顯示根據本發明的教導單體性地整合在被界 义於半導體材料中的一光學反射器中及/或附近之一光學 偵剩器的另一實施例之圖式； 第6圖為顯示根據本發明的教導單體性地整合在被界 定在一半導體材料中的一光學反射器中及/或附近之一光 學偵測器的一橫剖面之圖式。 t實施方式】 較佳實施例之詳細說明 揭露用以提供一單體性地整合在—被界定於半導體材 料中之-光學反射器中及/或附近之光學^貞測器之方法及 裝置。下文描述中，提出許多特定細節以供徹底瞭解本發 明。然而，熟習該技術者瞭解不需要該等特定細節來實行 本發明。其他案例中，並未壯地描述熟知的材料或方法 以免模糊本發明。 此說明書全文中提及“-項實施例，，或“一實施例，，時係 指連同該實施騎描述之-狀的祕、結構或特徵被包 括在本發明的至少-實施例中。因此，此㈣書全文各處 出現“-項實施例中”或“一實施例中，，語句時未必皆指相同 的實施例。尚且，特;t的特性、結構或特徵可在一或多項 實施例中以任何適當方式被合併。 第1圖為顯示根據本發明的教導之一耗合部件1〇1的一 實施例之—橫剖面_式’其包括單體性地整合在一光學 反射器107中及/或附近之一光學偵測器155的一實施例。如 所描繪的實施例中顯示，耦合部件101係包括一被界定於半 導體材料103中之第一溝道105。一實施例中，半導體材料 10 3係為一可以一 C 4球柵陣列或類似物被封裝之矽半導體 基材。如所描繪的實施例中顯示，光學反射器107被界定於 半導體材料1〇3中之第一溝道105的一第一端。一實施例 中，光學反射器107相對於第一溝道105的一軸線呈斜角 狀。譬如，圖示實施例中’根據本發明的教導，將光學反 射器107顯示為相對於第一溝道105的軸線呈近似45度顯 示，故光學反射器107反射或重新導引一入射光束。 一實施例中，一光纖1〇9的一第一端157配置於第一溝 道105中。一實施例中’第一溝道105係為被蝕刻或界定於 半導體材料103中譬如作為一V溝槽、u溝槽或類似物之一 溝道或溝槽，故當光纖109配置或接收於溝道105中時，光 纖109的第一端157被動地對準於溝道丨〇5中。 如所描繪的實施例中顯示，一光源111安裝至半導體材 料103及/或設置為緊鄰於第一溝道1〇5中之光學反射器 107。一實施例中，光源111包括一雷射，譬如·一垂直腔表 面發射雷射(VCSEL)或其他適當的光源。一實施例中，光 源111輸出一光束113，故使光纖109的第一端157身為自光 源111導引且自根據本發明的一實施例之光學反射器1〇7反 射之光束113的一光學目的地。另一實施例中，光源1U可 為複數個或一陣列的光源之一者且可輸出一或多個光束。 另一實施例中，複數個溝道105被界定於半導體材料1〇3 中，一對應的光纖109配置於各個各別的溝道1〇5中且一對 1334498 應的光源111配置為緊鄰於一對應的溝槽105，故使一光束 Π3傳輸經過各個各別光纖1〇9。 如第1圖的實施例所示，根據本發明的教導，一光學偵 測器155被包括在半導體材料1〇3中。一實施例中，光學偵 5 測器155係為一在製造期間被單體性地整合於半導體103的 光學反射器107中以偵測光束113之主動部件。根據本發明 的教導，利用光學偵測器155的一實施例之光束113偵測係 能夠運作使用在諸如光束113之光學功率監測或譬如測量 光束113之熄滅比（extinction ratio)。包括複數個光源111及 10溝道1〇5之另一實施例中，根據本發明的教導，複數個各別 光學偵測器155可被單體性地整合於光學反射器1〇7中以個 別地偵測、監測或測量各別光束113。根據本發明的教導， 藉由各光束113的個別偵測及監測係得以個別地控制驅動 電流以補償部件的不均勻、溫度變異、壽命變異等。 15 如第1圖的實施例所示，半導體材料103安裝在一印刷 電路板(PCB) 115上。一實施例中，PCB由一譬如一FR4材 料等玻璃纖維環氧樹脂或其他適當材料疊層製成。—實施 例中’ PCB 115係包括電性耦合至半導體材料103之接觸部 117。一實施例中，接觸部117經由導體121及銲料凸塊123 20 或其他適當電連接部而電性耦合至半導體材料1〇3<) 一實施 例中，接觸部117配置於PCB 115上藉以提供—邊緣連接 器，其在一實施例中被耦合以接收或發送一電信號119。 圖示實施例中，耦合部件101進一步包括一被包括在半 導體材料127中之電路125，其在一實施例中係為_安裝至 9 1334498 半導體材料1〇3之石夕半導體基材。如所描繪的實施例顯示’ 電路125係經由導體129及接觸部131電性耦合至光源111、 光學偵測器155及PCB 115。一實施例中，電路125包括諸如 互補金屬氧化物半導體(CMOS)驅動器及/或控制電路等電 5 路以監測光學偵測器155並依此驅動及/或控制光源111。 一實施例中，電路125被耦合以接收電信號119且辅助 光源111進行從電信號119至光束113的適當功率位準之一 電光轉換。一實施例中，電路125亦藉由光學偵測器155來 監測自光學反射器107反射之光束113的功率或熄滅比並回 10 應以控制光束113。如此一來，光源111係回應於電信號119 及/或自光學偵測器155接收之有關所監測光束113的回饋 來輸出光束113。一實施例中，光束113自光源111被導引至 在溝道105端部被界定於半導體材料103中之反射器107。光 束113隨後自反射器107導引至一光學標靶，其在第1圖被顯 15 示為光纖1〇9的第一端157。一實施例中，一光學接收器153 係光學耦合至光纖109的另一端159以接收光束113。 雖然耦合部件101在第1圖的範例實施例中顯示為具有 一光源111、一溝道105及一光纖109，請瞭解另一實施例 中，複數個對應的光源111、光學偵測器155、溝道105及光 20 纖1〇9可被包括在耦合部件丨〇1中。根據本發明的教導，光 學反射器107中之單體性整合式光學偵測器155可個別地偵 測、監測或測量各個各別光束113。根據本發明的教導，藉 由各光束Π 3的個別偵測及監測係得以個別地控制驅動電 流以補償部件的不均勻、溫度變異、壽命變異等。 10 13344卯 第2圖為顯示根據本發明的教導之一耦合部件201的另 實施例之一橫剖面的圖式。第2圖所示的耦合部件201之 貧施例係與第1圖所示的耦合部件101之實施例共同具有相 #。例如，如第2圖所示，耦合部件201包括被界定於半 導雜讨料103中之第一溝遒1〇5。第一反射器107被界定於半 導雜对料103中之第一溝道105中。第一光纖109配置於第一 卡1〇5中。一實施例中’當光纖109被配置或接收於溝槽 :$r ^ 1〇5中時，光纖109被動地對準於溝道105中。 /實施例中，光源111安裝至半導體材料103，使得光

,Η經由第一反射器107光學耦合至第一光纖109。一實施 办，光源111將光束113經由反射器107輸出至光纖109。 /赏施例中，光源111可為複數個或一陣列的光源之一者 fj <输出一或多個光束。另一實施例中’複數個溝道105被 I定於半導體材料103中’ 一對應的光纖109配置於各個各 别满道105中且一對應的光源111配置為緊鄰於一對應的溝 道1〇5以使一光束109傳輸經過各個各別光纖109。如第2圖 所描繪的實施例顯示’ 一光學偵測器155被包括在半導體材 料…〕中且身為一在製造期間被單體性地整合在半導體1〇3 的光學反射器107中以偵測光束113之主動部件。 2〇 一實施例中，半導體材料1〇3安裝在一PCB 115上。一 實施例中’PCB 115包括經由導體121及銲料凸塊丨23電性輕 合至半導體材料103之接觸部117。一實施例中，接觸部117 提供一連接器，其在一實施例中被耦合以接收及/或發送電 信號U9。一實施例中，耦合部件201進一步包括一電路 11 1334498 225，其被包括在半導體材料103中。圖示實施例中，根據 本發明的教導，電路225被單體性地直接整合於包括有經單 體性整合的光學偵測器155之相同半導體材料中。如第2圖 的實施例顯示，電路225經由導體129及接觸部123電性耦合 5 於光源111與PCB 115之間。一實施例中’電路225包括電路 以回應於電信號119及/或自光學偵測器155接收的回饋來 驅動及或控制光學部件211。 第3圖為更詳細地顯示根據本發明的教導經由一反射 器307或308光學耦合至一光纖309之一光源311的一實施例 10 之圖式，其包括一被單體性地整合的光學接收器355。如所 描繪的實施例顯示，溝道305被界定於半導體材料303中。 一實施例中，一大致呈平面性的反射器307被界定於溝道 305的端部。另一實施例.中，一具有一曲率或非平面性的反 射器308係被界定於溝道305的第一端。一實施例中，一諸 15 如一金屬化及/或其他適當材料等反射材料係在反射器307 或308上被圖案化以改良反射器307或308的反射率。 如所描繪的實施例顯示，一光纖309在溝道305的一第 二端配置於溝道305中。一實施例中，溝道305被界定於半 導體材料303中以當光纖309配置於溝道305中時使光纖309 20 被動地對準於溝道305。一實施例中，一諸如VCSEL等光源 311將光束313導引至反射器307或308，然後將其自反射器 307或308導引至一身為光纖309—端之光學標靶357。如圖 所示，光學偵測器355被單體性地整合於半導體303的光學 反射器307或308中以偵測及/或監測光束313。如第3圖的實 12 立、

Claims (1)

1. Ϊ334498 符年“月丨f曰修正本

   10 15 20 第95110755號申請案申請專利範圍替換頁 99.06.11. 十、申請專利範圍： 1. 一種用於光學偵測之裝置，包含： 一反射表面，其被界定於半導體材料上，該反射表 面用以將一入射光束反射朝向一光學目的地；及 一光學偵測器，其被單體性地整合於該半導體材料 的反射表面中及/或附近，該光學偵測器配置於該半導 體材料的反射表面中以偵測該入射光束。 2. 如申請專利範圍第1項之裝置，進一步包含一垂直腔表 面發射雷射以產生該入射光束。 3. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該半導體材料包含 被包括在一集成電路晶片中之一矽基材。 4. 如申請專利範圍第1項之裝置，進一步包含位於該光學 目的地處之一光纖。 5. 如申請專利範圍第4項之裝置，其中該光纖係設置在被 界定於該半導體材料中之一V溝槽中。 6. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該光學偵測器包含 一光檢測器，該光檢測器被單體性地整合於該半導體中 反射該入射光束之該反射表面上的一位置處。 7. 如申請專利範圍第6項之裝置，其中位於反射該入射光 束之該反射表面上的該位置處的該光檢測器的一中央 區相對於位於反射入射光束之該反射表面上的該位置 處之該光檢測器的一外部區而言相當具有反射性。 8. 如申請專利範圍第7項之裝置，其中該中央區的面積實 質上大於該外部區的面積。 18 1334498 9. 如申請專利範圍第8項之裝置，其中該外部區實質上具 有吸收性。 10. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該反射表面實質上 呈平面狀態。 5 11.如申請專利範圍第1項之裝置，其中該反射表面實質上 呈非平面狀態。 12. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該光學偵測器為被 單體性地整合於該半導體材料中之複數個光學偵測器 中的一者，其中該等複數個光學偵測器中的各者係位於 10 個別的一反射表面上，以個別地偵測入射在該反射表面 上且自該反射表面反射之複數個光束中的各別光束。 13. —種用於光學偵測之方法，包含下列步驟： 將一光束導引朝向一半導體材料； 自界定於該半導體材料中之一反射表面實質地反 15 射該光束； 以被單體性地整合於該半導體材料的該反射表面 中之光檢測器來偵測入射在界定於該半導體材料中之 該反射表面上的該光束；及 導引自該半導體材料反射之該光束至一光學目的 20 地。 14. 如申請專利範圍第13項之方法，進一步包含下列步驟： 以被單體性地整合於該半導體材料的該反射表面 中之該光檢測器來監測自一光源所接收之該光束的功 率。 19 Ϊ334498 15.如申請專利範圍第13項之方法，進一步包含下列步驟： 以被單體性地整合於該半導體材料的該反射表面 中之該光檢測器來衡量由產生該光束之一光源所產生 的一信號之一媳滅比。 5 16.如申請專利範圍第13項之方法，其中導引自該半導體材 料反射之該光束之步驟包含下列步驟： 以該反射表面將該光束聚焦至該光學目的地中。 17. —種用於光學偵測之系統，包含： 一光源，其係用以產生一光束； 10 一反射表面，其被界定於半導體材料上，該反射表 面係用以反射自該光源所接收之該光束； 一光學偵測器，其被單體性地整合於該半導體材料 的該反射表面中，該光學偵測器係配置於該半導體材料 的該反射表面中以偵測該入射光束； 15 一光纖，其係設置於該半導體材料中，該反射表面 係用以將自該光源接收之該光束反射至該光纖的一端 中；及 一光學接收器，其光學耦合至該光纖的另一端以接 收該光束。 20 18.如申請專利範圍第17項之系統，其中該光源包含一垂直 腔表面發射雷射。 19.如申請專利範圍第17項之系統，進一步包含被包括在該 半導體材料中且耦合至該光學偵測器之一積體電路，該 積體電路係耦合來自該光檢測器接收一電氣信號以偵 20 Ϊ334498 測該光束。 20.如申請專利範圍第17項之系統，進一步包含被包括在與 該半導體材料分離的一半導體基材中且電性耦合至該 光學偵測器之一積體電路，該積體電路係耦合來自該光 5 檢測器接收一電氣信號以偵測該光束。

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