TWI558946B - 光源系統 - Google Patents

Description

光源系統

本發明是有關於一種光源系統。

光源系統之所以能夠發光，除了需具有發光本體之外，通常還需有連接至發光本體的導電線路。導電線路是用如何的方式電性連接至發光本體，是會影響到光源系統的使用壽命與發光品質的。傳統上，將導電線路的電極焊接至發光本體的電極當能在短期內似乎連接得牢固，但是當光源系統發光而產生熱膨脹，以及關閉時因冷卻而收縮時，熱應力易導致焊接處至少有部分變形或脫落。如此一來，易導致發光本體內的電流分佈不均，甚至焊接處完全脫落而導致損壞。

對於二極體雷射而言，習知技術亦是將其兩側的電極焊接至外部電極。然而，熱應力易導致二極體雷射(尤其是二極體雷射棒(diode laser bar))曲翹，進而衍生光學品質下降、焊接處脫落或電流分佈不均等問題。

本發明提供一種光源系統，其可有效提升光學品質、使用壽命及可靠度。

本發明的一實施例提出一種光源系統，包括一導電基座及一發光單元。發光單元配置於導電基座上，且包括相對的一第一電極及一第二電極。第一電極連接至導電基座，且導電基座的熱膨脹係數與發光單元的熱膨脹係數匹配，以使發光單元與導電基座的溫度變化時，不至於彼此剝離。光源系統更包括一第三電極、一第四電極及一施力元件。導電基座配置於第三電極上，且第四電極配置於第二電極上。施力元件分別對第三電極與第四電極施加朝向彼此的力，以使第三電極與第四電極夾持發光單元與導電基座。

在本發明的一實施例中，發光單元更包括一第一型半導體層、一第二型半導體層及一發光層。第一型半導體層配置於第一電極與第二電極之間，第二型半導體層配置於第一型半導體層與第二電極之間，且發光層配置於第一型半導體層與第二型半導體層之間。第一型半導體層的線膨脹係數與導電基座的線膨脹係數的差值小於導電基座的線膨脹係數的50%。

在本發明的一實施例中，施力元件包括一施力部及一彈性模組。施力部與第四電極維持一間隙，而彈性模組配置於施力部與第四電極之間。施力部對彈性模組施加壓力而壓縮彈性模組，以使彈性模組對第四電極施加一彈性恢復力。

在本發明的一實施例中，光源系統更包括一固定模組，固定施力部與第四電極在平行於間隙的方向上的相對位置。

在本發明的一實施例中，固定模組包括多個鎖固構件，貫穿施力部而鎖固於第四電極上。

在本發明的一實施例中，彈性模組包括至少一對彈簧，分別位於發光單元的相對兩邊緣旁。

在本發明的一實施例中，彈性模組包括兩對彈簧，分別位於發光單元的四個邊緣旁。

在本發明的一實施例中，施力部與第四電極包括至少一組定位貫孔，暴露出發光單元的至少一角落。

在本發明的一實施例中，施力元件更包括一夾持件，其藉由對施力部與第三電極施加夾持力，而使第三電極與第四電極對發光單元與導電基座施加夾持力。

在本發明的一實施例中，施力元件更包括一連接部，連接部的一端連接至施力部，且連接部的另一端固定至第三電極。

在本發明的一實施例中，第四電極更包括一凸出部，其對第二電極施加一接觸力。

在本發明的一實施例中，發光單元為單管二極體雷射(single emitter diode laser)或二極體雷射棒(diode laser bar)。

在本發明的一實施例中，發光單元焊接至導電基座。

基於上述，在本發明的實施例的光源系統中，由於導電基座的熱膨脹係數與發光單元的熱膨脹係數匹配，且由於第三電 極與第四電極夾持發光單元與導電基座，因此發光單元與第三電極及第四電極的導通狀況較不易受熱應力的影響，進而提升光源系統的可靠度、光學品質及使用壽命。此外，由於第一電極連接至導電基座，因此導電基座可使流經第一電極的電流較為平均地分佈，而能夠有效避免電流擁擠效應(current crowding effect)的發生。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

100、100c‧‧‧光源系統

110‧‧‧導電基座

130‧‧‧第三電極

140、140a‧‧‧第四電極

142‧‧‧凸出部

144a‧‧‧導線鎖固孔

150、150c‧‧‧施力元件

152、152a、152c‧‧‧施力部

1522a‧‧‧貫孔

154‧‧‧夾持件

154c‧‧‧連接部

1542‧‧‧橫桿

1544‧‧‧底部

156、156a‧‧‧彈性模組

1562、1564、1566、1568‧‧‧彈簧

158c、162、164、166、168‧‧‧鎖固構件

160、160a‧‧‧固定模組

170‧‧‧定位貫孔

180‧‧‧焊料層

200、200b‧‧‧發光單元

205‧‧‧光束

210、210b‧‧‧第一電極

220‧‧‧第二電極

230‧‧‧第一型半導體層

240‧‧‧第二型半導體層

250‧‧‧發光層

G‧‧‧間隙

圖1A為本發明的一實施例的光源系統的剖面示意圖。

圖1B為圖1A的光源系統在移除夾持件後的上視示意圖。

圖1C為圖1A中的發光單元、導電基座及第三電極的剖面放大示意圖。

圖2A為本發明的另一實施例的光源系統中，第三電極與第四電極夾接發光單元的示意圖。

圖2B為圖2A中的第四電極與施力部的另一個視角的立體示意圖。

圖2C為圖2A中的第四電極與施力部的剖面示意圖。

圖3為本發明的又一實施例的光源系統中的發光單元、第一電極及第三電極的剖面示意圖。

圖4A為本發明的再一實施例的光源系統的剖面示意圖。

圖4B為圖4A的光源系統在移除夾持件後的上視示意圖。

圖1A為本發明的一實施例的光源系統的剖面示意圖，圖1B為圖1A的光源系統在移除夾持件後的上視示意圖，而圖1C為圖1A中的發光單元、導電基座及第三電極的剖面放大示意圖。請參照圖1A至圖1C，本實施例的光源系統100包括一導電基座110及一發光單元200。發光單元200配置於導電基座110上，且包括相對的一第一電極210及一第二電極220。在本實施例中，發光單元200例如為二極體雷射棒(diode laser bar)。具體而言，在本實施例中，發光單元200更包括一第一型半導體層230、一第二型半導體層240及一發光層250。第一型半導體層230配置於第一電極210與第二電極220之間，第二型半導體層240配置於第一型半導體層230與第二電極220之間，而發光層250配置於第一型半導體層230與第二型半導體層240之間。

在本實施例中，第一型半導體層230例如為P型半導體層，第二型半導體層240例如為N型半導體層，而發光層250例如為量子井層。然而，在其他實施例中，亦可以是第一型半導體層230為N型半導體層，而第二型半導體層240為P型半導體層。此外，在本實施例中，第一型半導體層230呈多個平台狀，而第一電極210包括多個彼此分離的子電極，且這些子電極分別覆蓋 這些平台。在本實施例中，發光單元200焊接至導電基座110。舉例而言，光源系統100更包括一焊料層180，其將發光單元200的第一電極210與第三電極110焊接在一起。

此外，第一電極210連接至導電基座110，且導電基座110的熱膨脹係數與發光單元200的熱膨脹係數匹配，以使發光單元200與導電基座110的溫度變化時，發光單元200與導電基座110不至於彼此剝離。在一實施例中，第一型半導體層230的線膨脹係數與導電基座110的線膨脹係數的差值小於導電基座110的線膨脹係數的50%。舉例而言，導電基座110的材質是採用銅鎢合金(CuW)，其線膨脹係數為6.5~9.0ppm/℃，而第一型半導體層230的材質是採用砷化鎵(Ggallium Aarsenide,(GaAs))，其線膨脹係數為=6.85ppm/℃，因此在此實例中，第一型半導體層230的線膨脹係數與導電基座110的線膨脹係數的差值約為導電基座110的線膨脹係數的5%至30%。在本實施例中，第一型半導體層230可包括由第一電極210往發光層250依序堆疊的包覆層(cladding layer)與波導層(waveguide layer)，而第二型半導體層240也可包括由發光層250往第二電極220依序堆疊的波導層與包覆層。或者，第一型半導體層230還可以包括其他的半導體層。然而，在本實施例中，無論第一型半導體層230包含多少層半導體層，每一半導體層例如均符合其線膨脹係數與導電基座110的線膨脹係數的差值小於導電基座110的線膨脹係數的50%的條件。

光源系統100更包括一第三電極130、一第四電極140 及一施力元件150。導電基座110配置於第三電極130上，且第四電極140配置於第二電極220上。施力元件150分別對第三電極130與第四電極140施加朝向彼此的力，以使第三電極130與第四電極140夾持發光單元200與導電基座110。

在本實施例的光源系統100中，由於導電基座110的熱膨脹係數與發光單元200的熱膨脹係數匹配，且由於第三電極130與第四電極140夾持發光單元200與導電基座110，因此發光單元200與第三電極130及第四電極140的導通狀況較不易受熱應力的影響，進而提升光源系統100的可靠度、光學品質及使用壽命。具體而言，由於發光單元200被夾持，因此不易因熱應力而產生曲翹，所以能夠確保電性連接品質與光學品質。另外，由於導電基座110的熱膨脹係數與發光單元200的熱膨脹係數匹配，亦可有效避免因兩者的熱膨脹係數不同而導致的曲翹。此外，由於第一電極210連接至導電基座110，因此導電基座110可使流經第一電極210的電流(例如流經各子電極的電流)較為平均地分佈，而能夠有效避免電流擁擠效應(current crowding effect)的發生。另外，由於焊料層180可以填入相鄰兩子電極之間的間隔，也就是可以填平不平整的第一電極210，因此來自導電基座110的電流可以均勻地分佈至各子電極。在本實施例中，焊料層180的材料例如為金錫合金或其他適當的金屬焊料。

在本實施例中，施力元件150包括一施力部152及一彈性模組156。施力部152與第四電極140維持一間隙G，而彈性模 組156配置於施力部152與第四電極140之間，其中施力部152對彈性模組156施加壓力而壓縮彈性模組156，以使彈性模組156對第四電極140施加一彈性恢復力。

在本實施例中，彈性模組156包括至少一對彈簧(在圖1A中是以兩對彈簧為例，例如是彈簧1562與1564這對，以及彈簧1566與1568這對)，分別位於發光單元200的相對兩邊緣旁。舉例而言，如圖1A與圖1B所繪示，彈簧1562與1564分別位於發光單元200的相對兩邊緣的上方，而彈簧1566與1568則分別位於發光單元200的另兩相對的邊緣上方。換言之，在本實施例中，彈性模組156包括兩對彈簧(彈簧1562與1564這對，以及彈簧1566及1568這對)，分別位於發光單元200的四個邊緣旁。

在本實施例中，光源系統100更包括一固定模組160，其固定施力部152與第四電極140在平行於間隙G的方向(例如是平行於xy平面的方向)上的相對位置。在本實施例中，可用一直角座標系來定義光源系統100所處的空間，其中z方向例如為垂直於間隙G與垂直於發光層250的方向，x方向例如實質上平行於發光單元200所發出的光束205的光軸的方向，而y方向例如是二極體雷射棒的延伸方向，也就是第一電極210的多個子電極的排列方向。此外，x方向、y方向及z方向例如彼此互相垂直。

在本實施例中，固定模組160包括多個鎖固構件162、164、166及168，其貫穿施力部152而鎖固於第四電極140上。這些鎖固構件162、164、166及168例如為螺絲。在本實施例中， 當施力部152被施加往第四電極140的方向的推力(即往-z方向的推力)時，施力部152可相對鎖固構件162、164、166及168往-z方向滑動，進而使施力部152壓縮彈性模組156。此外，鎖固構件162、164、166及168確保施力部152滑動時，在x方向與y方向上的位置實質上不變。

在本實施例中，施力元件150更包括一夾持件154，其藉由對施力部152與第三電極130施加夾持力，而使第三電極130與第四電極140對發光單元200與導電基座110施加夾持力。舉例而言，夾持件154的頂部可具有一橫桿1542，其貫穿施力部152。因此，夾持件154的橫桿1542便可對施力部152施加朝向-z方向的力，而夾持件154的底部1544則可對第三電極130施加朝向+z方向的力。

在本實施例的光源系統100中，彈性模組156可將施力部152所施加的往-z方向的力較為平均地分配置第四電極140，以使第四電極140均勻地對發光單元200施加往-z方向的壓力，而達到自我對準的效果。舉例而言，第四電極140可具有一凸出部142，其對發光單元200的第二電極220施加一接觸力。此外，凸出部142可具有一平整的下表面，因此彈性模組156可使凸出部142的下表面平整而均勻地與第二電極220接觸，並對第二電極220施加均勻的接觸力，藉此達到自我對準的效果。如此一來，第三電極130與第四電極140均能平整地接觸導電基座110與第二電極220，進而使電流能夠較為均勻地流經發光單元200。此外， 由於發光單元200焊接至導電基座110，而導電基座110的平整的下表面再與第三電極130平整而均勻地接觸，因此不會有第三電極130接觸不平整的第一電極210而產生電流分佈不均的問題。換言之，導電基座110能將來自第三電極130的電流較為均勻地分配至發光單元200。如此一來，光源系統100便能夠具有良好的光學品質。

當光源系統100發光時，可對第三電極130與第四電極140施加一電壓差，而使得電流依序流經第三電極130、導電基座110、發光單元200及第四電極140。此外，在本實施例中，施力部152與第四電極140包括至少一組定位貫孔170，其暴露出發光單元200的至少一角落。在圖1B中，施力部152與第四電極140包括四組定位貫孔170，每一組定位貫孔170包括互相對準的貫穿施力部152的貫孔與貫穿第四電極140的貫孔。

當組裝光源系統100時，可先將發光單元200焊接至導電基座110上，然後將發光單元200連同導電基座110放置於第三電極130上。接著，將鎖固在一起的第四電極140與施力部152放置於發光單元200上方，此時便可透過定位貫孔170來觀看發光單元200的角落，以確定第四電極140是否對準發光單元200。另外，夾持件154可連接至三軸移動平台(例如是x軸、y軸及z軸移動平台)，而藉由三軸移動平台，便能夠調整第四電極140相對於發光單元200的位置。當第四電極140與發光單元200對準時，鎖緊三軸移動平台而使夾持件154對施力部152施加往-z方 向的力，或放開夾持件154，以使夾持件154的夾持力施加在施力部152上，進而使第四電極140與發光單元200自我對準，也就是使第四電極140平整而均勻地接觸發光單元200。如此一來，便能夠完成光源系統100的組裝。

圖2A為本發明的另一實施例的光源系統中，第三電極與第四電極夾接發光單元的示意圖，圖2B為圖2A中的第四電極與施力部的另一個視角的立體示意圖，而圖2C為圖2A中的第四電極與施力部的剖面示意圖。請參照圖2A至圖2C，本實施例之光源系統與圖1A的光源系統100類似，而兩者的差異如下所述。在本實施例的光源系統中，彈性模組156a具有一對彈簧，即彈簧1562與1564，其配置於發光單元200於延伸方向(即y方向)的兩側(即兩端)的上方。此外，固定模組160a包括兩個鎖固構件162與164，配置於彈簧1562與1564整體的相對兩側。也就是說，本發明並不限制彈簧與鎖固構件的數量。此外，在本實施例與圖1A的實施例中，彈簧1562、1564、1566及4568例如為壓縮彈簧，然而，在其他實施例中，彈性模組也可以是採用扭力彈簧、彈片、彈性層或其他適當的彈性元件。舉例而言，彈性模組亦可以是單片的彈片。此外，在其他實施例中，鎖固模組亦可以是採用卡扣件、螺栓或其他適當的鎖固構件。

在圖2B中，亦繪示出如圖1A的夾持件150的橫桿1542所貫穿的貫孔1522a，即施力部152a的貫孔1522a。此外，在圖2B中亦繪示出第四電極140a的導線鎖固孔144a，而連接至外部 電源的導線可藉由鎖固件鎖固於導線鎖固孔144a上。

圖3為本發明的又一實施例的光源系統中的發光單元、第一電極及第三電極的剖面示意圖。請參照圖3，本實施例之光源系統與圖1A之光源系統100類似，而兩者的差異在於本實施例所採用的發光單元200b為單管二極體雷射(single emitter diode laser)。具體而言，發光單元200b的第一電極210b為單一且連續的電極，而不如圖1C的第一電極210是包含多個分離的子電極。本實施例之發光單元200b所發出的光是單束光，而圖1C的多個子電極上方的發光層250的對應部分會分別發出多道光進，這些光束會往x方向發出，且這些光束沿著y方向排列。

圖4A為本發明的再一實施例的光源系統的剖面示意圖，而圖4B為圖4A的光源系統在移除夾持件後的上視示意圖。請參照圖4A與圖4B，本實施例之光源系統100c與圖1A的光源系統100類似，而兩者的差異如下所述。在本實施例之光源系統100c中，施力元件150c更包括一連接部154c，連接部154c的一端連接至施力部152c，且連接部154c的另一端固定至第三電極130，例如是藉由鎖固構件158c固定至第三電極130。鎖固構件158c例如是螺絲、螺栓、卡扣件或其他適當的鎖固構件。當藉由鎖固構件158c將連接部154c鎖緊於第三電極130時，施力部152c所處的位置可對彈性模組156a施加往-z方向的力，也就是可以壓縮彈性模組156a。在本實施例中，連接部154c的至少一部分(例如至少部分組件)為絕緣材料，以使第三電極130與第四電極140 之間不會藉由連接部154c形成短路。

此外，在本實施例中，光源系統100c是採用如圖2C的彈性模組156a與固定模組160a。然而，在其他實施例中，光源系統100c也可以是採用如圖1B的彈性模組156與固定模組160。

在本實施例中，連接部154c與施力部152c可以是一體成型。然而，在其他實施例中，連接部154c與施力部152c亦可以是各自成型而彼此連接。

綜上所述，在本發明的實施例的光源系統中，由於導電基座的熱膨脹係數與發光單元的熱膨脹係數匹配，且由於第三電極與第四電極夾持發光單元與導電基座，因此發光單元與第三電極及第四電極的導通狀況較不易受熱應力的影響，進而提升光源系統的可靠度、光學品質及使用壽命。此外，由於第一電極連接至導電基座，因此導電基座可使流經第一電極的電流較為平均地分佈，而能夠有效避免電流擁擠效應的發生。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧光源系統

110‧‧‧導電基座

130‧‧‧第三電極

140‧‧‧第四電極

142‧‧‧凸出部

150‧‧‧施力元件

152‧‧‧施力部

154‧‧‧夾持件

1542‧‧‧橫桿

1544‧‧‧底部

156‧‧‧彈性模組

1564、1566、1568‧‧‧彈簧

164、166、168‧‧‧鎖固構件

160‧‧‧固定模組

200‧‧‧發光單元

205‧‧‧光束

G‧‧‧間隙

Claims (12)

1. 一種光源系統，包括：一導電基座；一發光單元，配置於該導電基座上，且包括相對的一第一電極及一第二電極，其中該第一電極連接至該導電基座，且該導電基座的熱膨脹係數與該發光單元的熱膨脹係數匹配，以使該發光單元與該導電基座的溫度變化時，不至於導致該發光單元實質上變形或從該導電基座剝離；一第三電極，其中該導電基座配置於該第三電極上；一第四電極，配置於該第二電極上；以及一施力元件，分別對該第三電極與該第四電極施加朝向彼此的力，以使該第三電極與該第四電極夾持該發光單元與該導電基座，其中，該發光單元更包括：一第一型半導體層，配置於該第一電極與該第二電極之間；一第二型半導體層，配置於該第一型半導體層與該第二電極之間；以及一發光層，配置於該第一型半導體層與該第二型半導體層之間，其中，該第一型半導體層的線膨脹係數與該導電基座的線膨脹係數的差值小於該導電基座的線膨脹係數的50%。
2. 如申請專利範圍第1項所述的光源系統，其中該施力 元件包括：一施力部，與該第四電極維持一間隙；以及一彈性模組，配置於該施力部與該第四電極之間，其中該施力部對該彈性模組施加壓力而壓縮該彈性模組，以使該彈性模組對該第四電極施加一彈性恢復力。
3. 如申請專利範圍第2項所述的光源系統，更包括一固定模組，固定該施力部與該第四電極在平行於該間隙的方向上的相對位置。
4. 如申請專利範圍第3項所述的光源系統，其中該固定模組包括多個鎖固構件，貫穿該施力部而鎖固於該第四電極上。
5. 如申請專利範圍第2項所述的光源系統，其中該彈性模組包括至少一對彈簧，分別位於該發光單元的相對兩邊緣旁。
6. 如申請專利範圍第2項所述的光源系統，其中該彈性模組包括兩對彈簧，分別位於該發光單元的四個邊緣旁。
7. 如申請專利範圍第2項所述的光源系統，其中該施力部與該第四電極包括至少一組定位貫孔，暴露出該發光單元的至少一角落。
8. 如申請專利範圍第2項所述的光源系統，其中該施力元件更包括一夾持件，其藉由對該施力部與該第三電極施加夾持力，而使該第三電極與該第四電極對該發光單元與該導電基座施加夾持力。
9. 如申請專利範圍第2項所述的光源系統，其中該施力 元件更包括一連接部，該連接部的一端連接至該施力部，且該連接部的另一端固定至該第三電極。
10. 如申請專利範圍第1項所述的光源系統，其中該第四電極更包括一凸出部，其對該第二電極施加一接觸力。
11. 如申請專利範圍第1項所述的光源系統，其中該發光單元為單管二極體雷射或二極體雷射棒。
12. 如申請專利範圍第1項所述的光源系統，其中該發光單元焊接至該導電基座。