具有光波导结构的发射端模块和接收端模块的制作方法

专利名称：具有光波导结构的发射端模块和接收端模块的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有光波导结构的发射端模块和接收端模块；且特别涉及利用光 波导结构的全反射信号传输技术，以应用于对电信号或光信号的转换与传输上的一种发射 端模块和接收端模块。
背景技术：
传统以铜质材料作为电线或电缆以提供在电信号传输或电子装置间的联系上的 应用，于所属的技术领域中已相当普遍，且其同时也能达到有效方便实施和节省成本的产 业效果。而在数字通讯的高效能电子系统中，不但处理器的设置愈益增多，其信号处理的速 度也越来越快，因此信号或信息的传输质量与速度也愈形重要；但通过系统的处理器或芯 片间以金属线路的连结设计，其传输、发送与接收的性能上已有所局限和不足。而光学连结可受传输线路材料性质的影响较小，能达高频宽容量和快速的传输效 果，所以以光学连结方式来取代电子连结便为重要的发展技术。在发光二极管(LED)及半 导体雷射的技术发展下，以光作为媒介来传输信号的方式便加以开发；其主要是经由光电 耦合组件(OpticalCoupler)的运作来完成电信号与光信号(electrical-optical)、或光 信号与电信号(optical-electrical)之间的转换、发射与接收。光电耦合组件主要包含了 提供光发射的发射器或光源单元、提供光接收的接收器或光检测单元、以及将发射或接收 的信号作进一步放大的信号放大器。而发射器与接收器通常作同一封装的整合，使其之间 除了光束外不会有任何电气或实体连接；因而光电耦合组件能在信号的输入和输出上产生 有效的隔离作用，并且具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。以光电耦合组件来作为光电转换与电信号传输上的基本设计，在目前的各种电路 构造、电子装置或相关系统中已得到了很广泛的应用。在美国专利第7306378号的专利中 公开了一种光电耦合组件，请参阅图1A，便为根据其专利内容所揭露的一耦合装置101的 剖面示意图；如该图所示，在一半导体基板103中具有一沟渠构造105，而在沟渠构造105 的一端上定义了具有和沟渠构造105的轴向有一倾斜角度的一反射面107 ；而一光纤109 则配置或对应排列组装于该沟渠构造105的另一端。此外，一光学单元111是对应该沟渠 构造105、该反射面107的位置设置于其半导体基板103上。在图1A所示的构造下，所述的 光学单元111可为光信号发出的光源或可为光信号接收的接收器，进而使光线经由反射面 107产生非共平面的转折而完成和该光纤109在光学传输上的耦合。承上所述，针对信号传输的部分，半导体基板103是利用焊锡块123设置于一印刷 电路板115上并和其后端的一连接端117完成电连接；而一电路单元125是位于一半导体 基板127中，并以接脚131设置于其半导体基板103上；该电路单元125在电连接情况下可 对该光学单元111作驱动或控制，进而将该连接端117的电信号119经由该光学单元111 转换成光信号113，并利用该反射面107反射后由该光纤109输出；或将该光纤109所传输 的光信号113由该反射面107反射后利用该光学单元111作侦测接收以转换成电信号119， 并经由所述的电连接情况由该连接端117输出。而相关单元是由半导体基板103上的一封盖133作封装，以提供电绝缘或抗干扰。此外，根据图IA所示，进一步还能将其光纤109、沟渠构造105、反射面107和光学 单元111等耦合构造，于其耦合装置101中作多个数目的配置，并以构造类似或相同的另一 耦合装置来作对应的组合，以完成由其中一者进行信号发射，并由另一者进行信号接收的 电-光-电的信号传输与转换的运作。如图IB所示，便为将构造类似或相同的两耦合装置 101a、101b，经由其中的两光纤109a、109b完成实体连接与信号传输连结的示意图。然而，在上述的光学传输耦合构造设计中，所述的沟渠构造需以较复杂的制程而 于其半导体基板内完成；并且在相关单元的尺寸设计均较小的条件下，将所述的光纤组装 或植入至该沟渠构造内以将光信号导出半导体基板或耦合装置之外，或导入至光学单元之 内以进行传输，便具有相当的难度与不便甚至是会产生误差，进而会使光信号无法准确地 反射至光纤或光学单元中，使得以光作为媒介来传输信号的设计便会受到影响
发明内容

本发明的目的在于提供一种具有光波导结构的发射端模块和接收端模块，使其利 用与结合半导体制程以及光波导结构的全反射信号传输的技术，从而能简单、方便地于同 一制程中，完成应用于对电信号或光信号的转换与传输上的发射端模块或接收端模块的制 造；并同时还能避免现有技术中将光纤于较小尺寸条件下作组装的困难与不便，进而可以 减少因可能的组装误差所造成无法准确进行光信号传输的问题。本发明的目的及解决其技术问题是采用以下的技术方案来实现的。本发明为一种发射端模块，应用于对至少一电信号的转换与传输上，该发射端模 块包含有一半导体基板；一第一膜层，形成于该半导体基板的第一表面上，用以提供电绝 缘；一电信号传输单元，形成于该第一膜层上，用以传输对应的电信号；至少一光源单元， 设置于该电信号传输单元上并和该电信号传输单元完成电连接，用以接收该电信号，并将 该电信号转换成对应的一光信号后发射；一第二膜层，形成于该半导体基板的第二表面上； 以及一第一光波导结构，形成于该第二膜层上，该第一光波导结构包含有一反射面和一光 波导结构主体，该反射面系位于该第一光波导结构的第一端上，且该反射面的位置系和对 应的光源单元相对应；其中该光信号能穿透该第一膜层、该半导体基板和该第二膜层而进 入该第一光波导结构的第一端，并经由该反射面的反射而进入该光波导结构主体中以进行 传输。本发明另一方面为一种接收端模块，应用于对至少一光信号的传输与转换上，该 接收端模块包含有一半导体基板；一第一膜层，形成于该半导体基板的第一表面上，用以 提供电绝缘；一第二膜层，形成于该半导体基板的第二表面上；一第一光波导结构，形成于 该第二膜层上，该第一光波导结构包含有一反射面和一光波导结构主体，且该反射面系位 于该第一光波导结构的第一端上；一电信号传输单元，形成于该第一膜层上；以及至少一 光检测单元，设置于该电信号传输单元上并和该电信号传输单元完成电连接，且该反射面 的位置系和对应的光检测单元相对应；其中对应的光信号能传输进入该光波导结构主体 中，经由该反射面的反射而从该第一光波导结构的第一端穿透该第二膜层、该半导体基板 和该第一膜层，并由该光检测单元接收而将该光信号转换成对应的一电信号后，由该电信 号传输单元将该电信号进行传输。
本发明另一方面为一种发射端模块，应用于对至少一电信号的转换与传输上，该 发射端模块包含有一半导体基板；一第一膜层，形成于该半导体基板的第一表面上，用以 提供抗反射；一驱动电路，设置于该半导体基板的第一表面上并相邻于该第一膜层，用以通 过传输对应的电信号以进行驱动；至少一光源单元，对应该第一膜层而设置于该驱动电路 上并和该驱动电路完成电连接，用以接收该电信号，并将该电信号转换成对应的一光信号 后发射；一第二膜层，形成于该半导体基板的第二表面上；以及一光波导结构，形成于该第 二膜层上，该光波导结构包含有一反射面和一光波导结构主体，该反射面系位于该光波导 结构的第一端上，且该反射面的位置系和对应的光源单元相对应；其中该驱动电路系具有 运算功能，而该光信号能穿透该第一膜层、该半导体基板和该第二膜层而进入该光波导结 构的第一端，并经由该反射面的反射而进入该光波导结构主体中以进行传输。本发明另一方面为一种接收端模块，应用于对至少一光信号的传输与转换上，该 接收端模块包含有一半导体基板；一第一膜层，形成于该半导体基板的第一表面上，用以 提供抗反射；一第二膜层，形成于该半导体基板的第二表面上；一光波导结构，形成于该第 二膜层上，该光波导结构包含有一反射面和一光波导结构主体，且该反射面系位于该光波 导结构的第一端上；一转阻放大器电路，设置于该半导体基板的第一表面上并相邻于该第 一膜层；以及至少一光检测单元，对应该第一膜层而设置于该转阻放大器电路上并和该转 阻放大器电路完成电连接，且该反射面的位置系和对应的光检测单元相对应；其中对应的 光信号能传输进入该光波导结构主体中，经由该反射面的反射而从该光波导结构的第一端 穿透该第二膜层、该半导体基板和该第一膜层，并由该光检测单元接收而将该光信号转换 成对应的一电信号后，由具有运算功能的该转阻放大器电路将该电信号进行传输。上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段， 而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够 更明显易懂，以下特举实施例，并配合附图，详细说明如下。


图1A为耦合装置101的剖面示意图。图1B为将耦合装置101a、101b经由光纤109a、109b完成实体连接与信号传输连
结的示意图。图2A为本发明的发射端模块2的剖面示意图。图2B为光信号28的反射与传输的示意图。图3A为光波导结构26于其第二端262上的剖面示意图。图3B为光波导结构26设置于第二膜层22上的底部立体示意图。图4为本发明的发射端模块2的立体示意图。图5为本发明的接收端模块3的剖面示意图。图6为将发射端模块2和接收端模块3完成连接的应用示意图。图7A为发射端模块2a的剖面示意图。图7B为发射端模块2b的剖面示意图。图7C和7D为发射端模块2c设置于印刷电路板40上的示意图。图8A为发射端模块2d的剖面示意图。
图8B为将光纤63的另一端和转接头70作结合的示意图。图8C为将转接头70组装至对应的传输接面71的示意图。图9为将发射端模块2和光纤66完成连接的应用示意图。图10A为将发射端模块2和接收端模块3完成连接的应用示意图。图10B为将发射端模块2和芯片91完成信号传输的应用示意图。
具体实施例方式由先前技术的说明可知，目前将电信号转换成光信号以进行发射的相关光源单元 或光发射器、以及将光信号转换成电信号以进行接收的相关光检测单元或光接收器，已为 普遍运用的技术或硬件设计；但在其中对光信号导入至用以进行传输的光纤中以及将光信 号由其中导出所采用的现有构造设计，对于将光纤在发射端与接收端上的现有结合、制造 或组装方式，仍存在着相当的困难度和相应所产生影响传输的可能误差。本发明所提出的一种光电耦合组件或传输结构，是包含了可进行电信号与光信号 间的转换的一发射端模块以及可进行光信号与电信号间的转换的一接收端模块，主要仍是 以光作为媒介来达到信号传输的目的。而在本发明的揭示概念中主要是利用半导体制程与 光波导信号传输技术，于所述的发射端模块或接收端模块中完成对应的结构，使其能运作 光、电信号或电、光信号的转换与传输的整体设计在确保信号传输质量的效果下，达到将相 关硬件或构造于制造或结合上更加方便的目的。现以一较佳实施例进行本发明的实施说明。请参阅图2A为本发明所提出的一发 射端模块2的剖面示意图。如该图所示，该发射端模块2主要包含有一半导体基板20、一光 源单元24和一光波导结构26 ；其中该半导体基板20用以作为该光源单元24的设置平面， 而在此实施例中，所采用的该半导体基板20为一种对绝缘硅(silicon on insulator, SOI) 晶圆作双面抛光(double sides polished)而成的单晶硅基板，除了可对在该半导体基板 20的上下两表面上以半导体制程进行相关膜层的形成外，其基板的硅材特性也能提供所产 生的光信号进行发射上的传输通过。承上所述，在此实施例中，该发射端模块2还包含有形成于该半导体基板20的第 一表面201上的一第一膜层21，以及形成于该半导体基板20的第二表面202上的一第二膜 层22。由于在本发明的电光信号或光电信号的转换与传输上，需避免光信号于传输过程中 受到相关的电磁或电气效应的干扰，因而主要在所述的第一膜层21的设置提供电绝缘功 能和阻绝电或光信号的泄漏。此外，因于本发明的发射端模块2中所进行的光信号传输，是 需穿透过该第一膜层21和该第二膜层22，因此所述的第一膜层21和第二膜层22的设置也 需具有光的高穿透特性。在此实施例中，是采用诸如二氧化硅的单一介电质膜层来完成该 第一膜层21和该第二膜层22，并能于半导体制程的过程中分别形成于该半导体基板20的 第一表面201和第二表面202，用以提供光信号的高穿透功能与耦合效率。此外，于其它实 施例中，也能以多层膜层的方式(例如anti-reflection(AR)的薄膜)来分别于其第一膜 层21和第二膜层22的位置上完成设置；或者使其第二膜层22的设置也具有电绝缘的功能 和阻绝信号泄漏。而所述的光源单元24是以现有技术中的发光二极管、半导体激光器或垂直腔面 发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，简称为VCSEL)来构成，其主要的功能同样是用以根据相关的电信号来产生或发射出对应转换后的光束或光信号以进行传 输。此外，在此实施例中，该发射端模块2还包含有形成于该第一膜层21上的一电信号传 输单元23，而该光源单元24是在和该电信号传输单元23完成电连接后设置于该电信号传 输单元23上；详细来说，在此实施例中所述的发射端模块2是应用于一印刷电路板(如后 续图式所示)上的设置，其中该印刷电路板并能和该发射端模块2完成电连接后，提供或产 生一电信号27而能由该发射端模块2进行接收、转换和传输。承上所述，如图2A所示，该发射端模块2包含有设置于该第一膜层21上并和该电 信号传输单元23完成电连接的一驱动电路25 ；在此实施例中，该驱动电路25能将由该印 刷电路板上所产生的该电信号27加以接收以作后续的传输，并且该驱动电路25也通过传 输该电信号27，以及通过该电信号传输单元23的电连接来驱动该光源单元24接收该电信 号27后，将其转换成为如图式中所示的对应的一光信号28。此外，所述的相关组件的对应 位置设置，其中该电信号传输单元23的部分面积靠附于该光源单元24下方，也就是该光源 单元24是以其底面的部分面积来和该电信号传输单元23完成电连接，且其底面的其它面 积则便靠附于该电信号传输单元23之上。另一方面，若将该发射端模块2以系统单芯片(System on Chip，SoC)方式作设计 时，则也可将运算的部分整合于其中，例如将对应的集成电路与其驱动电路25作整合，使 其所在的上层便用以作为驱动与运算的电路，而能同时具有驱动功能与运算功能。在此实施例中，所设置的该电信号传输单元23为一金属材质所构成，除了能由其 中的部分所形成的传输线路(请参阅后续图4的实施说明)来传输其电信号27外，其金属 材质的特性还可具有散热功能。由于该光源单元24在进行电信号转换成光信号以运作出 对应的光源发射时，该光源单元24本身的组件温度也会相对上升；而于该光源单元24和该 第一膜层21之间作为分隔的该电信号传输单元23，其金属材质的特性便能有效地以热传 导或热辐射方式将所存在的多余热能加以散逸。承上所述，由于该电信号传输单元23的电连接传输的材料特性并无法提供其光 信号28作穿透，因此，较佳的实施方式是针对该光源单元24发射出光信号28的相对位置 上，将该电信号传输单元23的部分面积作小范围的穿孔；如图2A中以虚线区域所示的一穿 孔230，以使其光信号28能加以通过，并进而能对该第一膜层21、半导体基板20等进行穿 透。在此实施例中，所述的穿孔230的设置，其所在的位置是不会影响对应的电信号27的 传输，而小范围的穿孔设计也不会减少或降低其电信号传输单元23整体金属材质的散热 特性。而关于该光波导结构26的设置，在此实施例中，该光波导结构26可和该半导体基 板20为同样的硅材质所构成，并且该光波导结构26于该第二膜层22上的形成是对应着该 光源单元24于该第一膜层21上的对应位置来设置。如图2A所示，该光波导结构26包含 有一反射面263和一光波导结构主体260，其中该光波导结构主体260是用以提供所述的光 信号28于其内作传输，而该反射面263则用以提供光信号28在三维空间下产生非共平面 的转折、反射与传输导向。在此实施例中，该反射面263的位置是位于该光波导结构26的 第一端261上，且和所述的光源单元24相对应，使得所产生的光信号28能照射至对应的该 反射面263上。而在此实施例中，设计该反射面263和该第二膜层22间有一 45度的夹角，并利用此一角度的设计来达到最高的转折传输效果。详细来说，本发明的半导体基板20、相关膜层 21,22和其光波导结构26是于同一半导体制程中以一体成型的方式来完成；也就是在该第 二膜层22形成于其第二表面202上后，再以另一硅基材形成于第二膜层22之上并作对应 位置和形状的半导体蚀刻，使其能形成出具45度角的斜面，并可在其外层涂上相关反射材 料后，便可完成整体的光波导结构26和所述的反射面263。而其光源单元24、电信号传输 单元23和驱动电路25等，则可利用晶圆黏合(wafer bonding)的方式设置于该第一膜层 21之上而相接合。承上所述，由于在此实施例中的该第一膜层21和该第二膜层22是采用具高穿透 性的介电质膜层来完成，因而该光源单元24在以垂直角度或接近垂直的小角度内产生与 发射出其光信号28时，光信号28能对该第一膜层21和该第二膜层22加以穿透。更进一 步来说，其第一膜层21和第二膜层22可为单层结构或可采用光学组件的多层膜制造方式 来作设计，并从中制造出抗反射涂料的膜层(AR coating)以提高光的穿透率。换句话说， 本发明的发射端模块2的运作，使该光源单元24所发射的对应光信号28能依序穿透该第 一膜层21、半导体基板20和第二膜层22，并因而进入该光波导结构26的第一端261内，进 而能经由作45度角的反射面263的反射、转折，而可进入其光波导结构主体260中以进行 传输。请参阅图2B为所述的光信号28的反射与传输的示意图。如该图所示，其中光信 号28的路径是以垂直进入该光波导结构26的第一端261，并在照射至该反射面263上后 以90度直角反射进入该光波导结构主体260中的方式进行传输；而以此方式的传输效果， 能使其光路径能和该光波导结构主体260的导向方向以相互平行的形式作传递。然而，该 光源单元24所发射的光信号整体并不一定会以完美的垂直方式加以发射和照射，而是会 具有一角度范围内的微幅发散。如该图2B所示，其中两光路径28a、28b便不是以垂直方式进入其第一端261中， 因而所形成的反射角便非呈现为90度的转折，而无法于光波导结构主体260中并行传输。 然而，由于此种状况的光路径28a、28b在照射于光波导结构主体260的内侧上的入射角度 已够大，也就是已能相对于上方的第二膜层22或下方的空气达到或超过全反射条件的入 射临界角，因而使得光在以此种光路径28a、28b行进时，于经由该反射面263的反射后能以 全反射方式在光波导结构主体260内进行传输。由此可知，本发明所采用的其第二膜层22 的材料设计，在此实施例中为一介电质膜层，便也需考虑其折射率的材料特性，使其能运作 出全反射的效果；意即，如硅材料和空气间的折射率对应关系，第二膜层22所使用的材料 其折射率便必须小于光波导结构26所使用的硅材料的折射率。或相对来说，光在波导中形 成全反射传递的原因，是因第二膜层22相较于波导核心(core)的折射率为低。而关于该光波导结构26的形状设计，可相对于其第一端261上的反射面263来建 构其光波导结构26于两侧上的侧面。请参阅图3A为该光波导结构26于其另一端的第二端 262上的剖面示意图；如该图所示，其光波导结构26两侧的侧面是呈现出相对的斜面设计， 而能将所述的光信号局限在其内部中进行传输。而在图3B的示意中，则呈现了该光波导结 构26设置于其第二膜层22上的底部立体示意图。就一般实施效果而言，所述的光信号28 是主要会聚焦与集中在所设计的反射面263上作照射，且主要是以光波导结构主体260内 的上方处与下方处作全反射传输；因此，该光波导结构26整体的形状或外型设计并没有太大的条件限制，只要能针对45度的反射面263的面积大小对应建构或蚀刻出两侧面或衔接 面，使对应的光信号能于其内作全反射即可。承上所述，在图3B中还呈现了在第二膜层22上设置了有其它多个光波导结构 26a、26b的示意。在上述的较佳实施例中，是以其发射端模块2包含有至少一光波导结构26 作实施方式说明，也就是针对至少一光源单元24所产生的一个光信号28来设置出至少一 对应的光波导结构26 ；然而，在同一个发射端模块中，还可根据前述的概念来设计复数个 相互对应的光源单元和光波导结构。而在多个光波导结构的设计架构中，各个光波导结构 便是各自对应于上方作设置的光源单元的位置，而在第二膜层22上作对应的设置与接收。于此一较佳实施例中，具有多个光波导结构的发射端模块2的立体示意图，便如 图4所示。举例来说，以图4所示为例，四个光源单元24、24a 24c能产生出四个对应的 光信号(未显示于图式)，并由下方的四个光波导结构26、26a 26c作对应的接收；换句话 说，如图4所示，从电信号传输单元23中所形成出对应数目的传输线路来和该驱动电路25 完成电连接的设计，可接收其所传来的四个电信号(未显示于图式)，并对应驱动四个光源 单元24、24a 24c作电光转换与发射，使各个光信号能由下方对应的四个光波导结构26、 26a 26c进行传输。此外，于其它实施例中，也可将如图4所示的部分的光波导结构的反 射面所对应的光源单元改以光检测单元进行设置，使得在具有多个光波导结构的同一个模 块上，能同时兼具有光信号的发射与接收的功能。更进一步来说，于后续所要说明的本发明 的接收端模块，也能以类似的兼具光信号的发射与接收的方式来完成设计。在上述较佳实施例中的发射端模块2的设计，是用以作为电信号转换成光信号、 并将光信号导入至其光波导结构26中作信号传输的实施架构说明。在此实施例的另一方 面相对地来说，同样的此一架构也可反向地提供作为光信号接收、并进而将光信号转换成 电信号以进行后续信号传输的实施应用。请参阅图5为本发明所提出的一接收端模块3的剖面示意图。如该图所示，该接 收端模块3主要包含有一半导体基板30、一光检测单元34、一光波导结构36、一电信号传输 单元33和一转阻放大器电路35，以及分别形成于该半导体基板30的第一表面301和第二 表面302上的一第一膜层31和一第二膜层32 ；在同一实施例的说明中，该接收端模块3的 详细架构、组件材料、产生功能、电连接关系与位置设置等，均和上述的发射端模块2相似， 其差别仅在于信号传输与转换上的行进方向和顺序，以及将该发射端模块2中的该光源单 元24替换成为该接收端模块3中的该光检测单元34，和将其中的该驱动电路25替换成为 该转阻放大器电路35。其中所述的光检测单元34是以现有技术中的光接收二极管或光学接收器来构 成，其主要的功能同样是用以接收所传来的光信号38并加以转换成对应的电信号37以进 行传输。而其中由该光波导结构36的第二端362所传来的光信号38，是以全反射方式在其 光波导结构主体360中传输，并照射在呈现为45度夹角的反射面363上后作反射，而从该 光波导结构36的第一端361穿透第二膜层32、半导体基板30和第一膜层31，并通过对应 的穿孔330由该光检测单元34加以接收与转换，再由该电信号传输单元33将对应的电信 号37进行传输。同样的，该接收端模块3系应用于一印刷电路板(如后续图式所示)上的设置，而 所述的转阻放大器电路35并能将光检测单元34所转换的电信号37作放大后加以输出，而该印刷电路板则能和该接收端模块3完成电连接后，将接收端模块3所转换与放大后的对 应电信号37作接收以进行后续的输出。此外，所述的电信号传输单元33也可以其金属材 质的特性，利用其部分面积靠附于该光检测单元34下方所采用的热传导或热辐射方式，来 提供该光检测单元34在接收对应的光信号38时的散热功能。类似地，若将该接收端模块3以系统单芯片(SoC)方式作设计时，则也可将运算的 部分整合于其中，例如将对应的集成电路与其转阻放大器电路35作整合，使其所在的上层 便用以作为转阻放大与运算的电路，而能同时具有转阻放大功能与运算功能。根据上述较佳实施例的说明，更进一步来说，所设计的发射端模块2或接收端模 块3还需再和一传输组件，例如一光纤作相互连接之后，方能将对应的光信号传输至所指 定的接收端上，或由所指定的发射端上将对应传来的光信号加以接收。请参阅图6为将具 有光波导结构并用以进行信号传输的发射端模块2和接收端模块3完成连接的应用示意 图。如该图所示，所述的发射端模块2和接收端模块3是分别设置于一印刷电路板40、50 上，且如前述的实施说明，该等印刷电路板40、50是分别和发射端模块2和接收端模块3完 成电连接，用以提供所需进行转换的电信号，或将所转换出的电信号加以接收和进一步输 出。而发射端模块2或接收端模块3于印刷电路板40、50上的设置，其底部空间的架设是 能容置各个光波导结构的体积，并且于其上分别设置了用以提供组装连接的多个导座41、 42、51、52。承上所述，发射端模块2或接收端模块3两者之间的光信号传输，是利用一光纤60 加以进行。如图6所示，于此实施例中，该光纤60是对应所述的导座41、42、51、52的设计， 而分别于其两端的组装端61、62上设计出相对应的组装导脚611、612、621、622，从而能分 别和该等导座完成其尺寸相互对应的组件组装和连结。光纤60的主体是可使用现有技术 中的高速、高频宽容量的传输光纤组件。而关于将对应的光信号导入至该光纤60中或从该 光纤60中导出的方式，是当在该等组装导脚完成和该等导座的组装连结后，两组装端61、 62便能贴附于发射端模块2或接收端模块3各自的光波导结构的第二端，例如所述的第二 端262、362 ；详细来说，光纤60是分别以两组装端61、62中的两传输接面610、620来和发 射端模块2或接收端模块3各自的光波导结构的第二端作贴附与结合，从而能将对应的光 信号作传输上的导入和导出。就另一方面来说，利用图6所示的实施方式，便可有效地在运用具有光波导结构 的发射端模块2和接收端模块3时，完成光信号的导入与导出。然而，就应用上来说，除了 可将本发明的发射端模块2在利用上述的光纤60的构造设计下和其接收端模块3作连接 外，也可以分别将发射端模块2或接收端模块3和现有技术中的相关接收端构造或发射端 构造作搭配使用，例如于先前技术中所述的光电耦合组件的耦合装置；其方式是保留所述 光纤60中的其中一端(即组装端61或组装端62)的设计，而另一端则可采用现有光纤的 连结外观，以和对应装置进行组装；例如组装至现有耦合装置的沟渠构造中。本发明的概念还可基于上述较佳实施例的方式作相关的实施变化设计。举例来 说，其中在发射端模块中的驱动电路以及在接收端模块中的转阻放大器电路的设置位置， 可因本发明各模块所具有的光波导结构和其光源单元或光检测单元在半导体基板作区隔 而相距较远的特征下，作其它相关位置的设置与变化。请参阅图7A为一发射端模块2a的剖面示意图；于此一变化设计中的相关单元是和上述较佳实施例相同，但其中形成于半导体基板20的第一表面201上的一第一膜层21a 是仅为对应光源单元24、光波导结构26的第一端261和反射面263的所在范围而已；该第 一膜层21a也具有对光的高穿透性与抗反射性。而一驱动电路25a则相邻于第一膜层21a 而设置于第一表面201上，用以通过传输对应的电信号以进行对设置于上方并作电连接的 光源单元24的驱动。同样地，光源单元24并在对应的位置上将电信号转换成光信号28后 发射。进一步来说，该第一膜层21a的形成可为将驱动电路25a作所在范围的对应穿孔，而 于其范围内形成于该第一表面201上。此一变化设计，于上述较佳实施例中的电信号传输 单元可设计为该驱动电路25a的一部分；例如可为光源单元24与驱动电路25a之间作连接 与支称的部分，而使该驱动电路25a直接成为在其第一表面201上的电路层。由于在作电 路驱动的结构能以较小线宽的制程完成，而用以作光路通过的下层是需较大线宽的制程， 因此本发明可将不同线宽或制程的电路、光路结构完成于同一硅基板上，进而能整合成为 一单石(monolithic)的光电组件，而同时具有驱动和运算功能以提供高效率的光学传输。
请参阅图7B为一发射端模块2b的剖面示意图；类似地，于此一变化设计中则是将 电信号传输单元23b加以延伸而将其部分形成于半导体基板20的第一表面201上，而一驱 动电路25b则设置于电信号传输单元23b上并和电信号传输单元23b完成电连接；意即驱 动电路25b是利用覆晶(Flip-Chip)的混成构装(hybrid integration)方式设置于其上， 而使驱动电路25b与半导体基板20之间形成有其电信号传输单元23b，且较佳的设置是可 使驱动电路25b与光源单元24在电信号传输单元23b上有相同的高度。此外，于此图中还 示意在光波导结构26的第二端262上形成有一第三膜层264，并可在其半导体基板20的侧 壁上作延伸。该第三膜层264也为一种抗反射涂料(AR coating)的膜层，使光信号在其中 或对所连接的单元作传输时，能提高光的穿透率；此一抗反射的设计也可于上述较佳实施 例以及其接收端模块上作实施，或于上述图7A及后续相关应用上作实施。同样地，此第三 膜层264可为单层膜或多层膜，用以提升光束的穿透率，从而能增加对波长、入射角度或低 极化选择性(low polarization dependence)的公差容忍度。而在图7C和7D中，则同时呈现了一发射端模块2c设置于一印刷电路板40上的 示意图；于图7C中，一驱动电路25c是设置于印刷电路板40上，并在半导体基板20中制作 一金属穿孔结构，使得电信号可以经由印刷电路板40直接穿透半导体基板20而和上方的 电路层作电连接。而于图7D中的实施变化，则为驱动电路25c设置于印刷电路板40上，而 其电信号传输单元23c与驱动电路25c之间的电连接则能以打线(Wire)的方式完成电连 接。另一方面，上述图7A至7D中的相同概念、架构与实施变化设计，也可于接收端模块中 的转阻放大器电路上来完成，但其中的电、光信号的传输方向则为反向。本发明概念中的光源单元或光检测单元于各模块中的设置，是通过半导体基板的 区隔而能和各自的光波导结构呈现较远的距离，使其光波导结构的设置除了能够有效地局 限住光信号而传输不失真外，再和后续的光纤或相关连接构造作连接组装时，也不容易对 其结构较为精密的光源单元或光检测单元造成破坏。本发明还可基于上述较佳实施例的方 式于光纤或连接构造上的组装设计，或发射端模块与接收端模块间的连接设计作相关的实 施变化，使其光信号同样能够于发射端模块与接收端模块之间完成光信号传输。请参阅图8A为一发射端模块2d的剖面示意图；于此图中的各单元的设计是和上 述较佳实施例相同，但其中的半导体基板20在对应其光波导结构26的第二端的部位上是形成有一沟槽203，而该沟槽203的形状可对应于作组装的一光纤63 ；例如可为U型或V 型。而该光纤63在对该沟槽203进行组装时，能对应其光波导结构26的光波导结构主体 260，使其光信号能作有效传输。此外，于此图中的设计，光纤63在该沟槽203上的连接为 固定的黏合，而无法提供反复的插拔或组装；但若设计为可插拔时，由于位置上距其光源单 元24较远，使得此连接过程将不易对该光源单元24造成破坏。此外，相同的概念与架构也 可于接收端模块中的半导体基板和光波导结构上来完成；而所使用的光纤的另一端也能以 此一方式或仍可采用上述图6中的方式，来完成和发射端模块或接收端模块的连接与光信 号传输。承上所述，根据图8A的实施变化，其中该光纤63于外部的另一端上还可设计与相 关转接头作结合，进而能再和对应的接面作连接与传输。请参阅图8B和8C分别为将该光 纤63的另一端和一转接头70作结合的示意图，以及将该转接头70组装至对应的一传输接 面71的示意图。此二图中的该转接头70与该传输接面71为现有单元，且该传输接面71 可设置在现有电路板或主机板上以提供该转接头70组装。而由于该转接头70中设计有一 45度的反射面72，使得该光纤63中的光信号能经由反射面72的反射而进入传输接面71 中，从而进行接收、光电转换与传输。本发明概念的发射端模块或接收端模块在经由对应的 光纤进行光信号传输时，能和现有技术中的相关单元来完成不同的结合与传输。另外，于上述较佳实施例中图6所示的组装架构，为将发射端模块或接收端模块 于各自的电路板或主机板上设计出相关的导座与组装导脚，以作为结合或导引的机构设 计，使其能提供反复的插拔或组装。本发明还可基于上述较佳实施例的方式于可提供反复 插拔或组装的机构设计上作相关的实施变化，而光信号于两模块间的传输也同样能够有效 完成。请参阅图9，为将具有光波导结构并用以进行信号传输的发射端模块2和一光纤 66完成连接的应用示意图。此图中的发射端模块2可和上述较佳实施例的说明相同，但该 发射端模块2设置于一组装板43上，且于该组装板43上设计有两导座44、45，可提供另一 组装板64作对应的导引插入，使其组装板64上的一组装端65便能贴附于发射端模块2的 光波导结构的第二端；或可再设计出更细部的栓旋构造或套合构造来完成与稳固两者之间 的结合，并可提供拆卸或插拔。而光纤66则能和组装端65完成组装和连结，使其对应的光 信号便能经由组装端65导入至光纤66中以进行传输。同理，相同的概念与架构也可于接 收端模块上作应用。请参阅图10A为将具有光波导结构并用以进行信号传输的发射端模块2和接收端 模块3完成连接的应用示意图。此图中的发射端模块2和接收端模块3可和上述较佳实施 例的说明相同，但是分别设置于一插卡81、82上。该等插卡81、82可对具有一光波导结构 86、两个对应的插槽83、84的一印刷电路板80进行组装，也就是能将其光波导结构26的第 二端和其光波导结构36的第二端分别对应该光波导结构86的两端作连接。类似的设计， 该光波导结构86也包含有一光波导结构主体860和于两端上的各一 45度的反射面861、 862。经由此一设计，信号便能以光的形式于该印刷电路板80及两插卡81、82之间传输；也 就是对应的光信号能从光波导结构26导入至该光波导结构86中，经反射面861的反射而 于该光波导结构主体860中以全反射方式进行传输，并经反射面862的反射后再导入至其 光波导结构36中。
承上所述，不同于该等光波导结构26、36的硅材质特性，印刷电路板80上的光波 导结构86的设置是以高分子聚合物的材料加以形成。而此一连接架构除可不需使用光纤 进行传输外，传输的对象也可从两插卡之间变换成同一电路板或不同电路板上的任两单元 或任两芯片。如图10B所示为将具有光波导结构并用以进行信号传输的发射端模块2和一芯片 91完成信号传输的应用示意图。此图中的发射端模块2可和上述较佳实施例的说明相同； 发射端模块2是设置于一印刷电路板40上，而该芯片91则设置于具有一光波导结构92的 一印刷电路板90上。发射端模块2的光波导结构26能贴附于该光波导结构92，且该光波 导结构92也包含有一光波导结构主体920和一 45度的反射面921，使得对应的光信号能 从其光波导结构26导入至该光波导结构主体920中，并以全反射方式进行传输和经反射面 921的反射后，由该芯片91接收，从而能完成电路板对电路板、或是芯片与芯片之间的光信 号传输。同理，相同的概念与架构也可于接收端模块上作应用。此外，本发明的发射端模块和接收端模块中的第一膜层、第二膜层可设计为单层 膜或多层膜，使其能提供对光的抗反射和增加穿透率并提升对波长、入射角度或低极化选 择性的公差容忍度。是故，综上所述，本发明是利用与结合了半导体制程的技术以及可作全反射的光 波导信号传输技术，将用以进行光、电信号间的转换或电、光信号间的转换的相关耦合构造 中，能简单而方便于同一制程中完成其发射端模块或接收端模块的制造，因而无需以较复 杂的制程来进行现有技术中的沟渠构造的形成，或需将对应的光纤于其尺寸较小的条件下 作困难的组装与植入。利用本发明的概念，不但让所使用的光纤能方便地于发射端模块或 接收端模块上完成组装、连结，且其过程可能对光源单元或光检测单元所造成的破坏情形 也能有效避免。而将对应的光信号导入至其光纤中或从其中加以导出的设计，也不会因可 能的些微误差而造成其光信号无法准确地进行信号传输。同时，本发明的概念也使得将光 信号于电路板与电路板之间作信号传输，或是于芯片与芯片之间作信号传输的结果能有效 完成。另外，本发明的概念也能在不利用光纤的情形下，通过具有另一光波导结构的装置或 单元而能完成发射端模块与接收端模块之间的光信号传输。本发明的概念能有效地解决先 前技术中所提及的相关问题，从而能成功地达到本案发展的主要目的。以上所述，仅是本发明的实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本 发明已以实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱 离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化 的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例 所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
权利要求
一种发射端模块，应用于对至少一电信号的转换与传输上，该发射端模块包含有一半导体基板；一第一膜层，形成于该半导体基板的第一表面上，用以提供电绝缘；一电信号传输单元，形成于该第一膜层上，用以传输对应的电信号；至少一光源单元，设置于该电信号传输单元上并和该电信号传输单元完成电连接，用以接收该电信号，并将该电信号转换成对应的一光信号后发射；一第二膜层，形成于该半导体基板的第二表面上；以及一第一光波导结构，形成于该第二膜层上，该第一光波导结构包含有一反射面和一光波导结构主体，该反射面是位于该第一光波导结构的第一端上，且该反射面的位置是和对应的光源单元相对应；其中该光信号能穿透该第一膜层、该半导体基板和该第二膜层而进入该第一光波导结构的第一端，并经由该反射面的反射而进入该光波导结构主体中以进行传输。
2.如权利要求1所述的发射端模块，其特征在于，该半导体基板为一种双面抛光的单 晶硅基板。
3.如权利要求1所述的发射端模块，其特征在于，该光源单元为一发光二极管、一半导 体激光器或一垂直腔面发射激光器。
4.如权利要求1所述的发射端模块，其特征在于，该第一膜层、该第二膜层为一介电质膜层。
5.如权利要求1所述的发射端模块，其特征在于，该发射端模块是应用于一印刷电路 板上的设置，该印刷电路板并能和该发射端模块完成电连接后，提供该电信号。
6.如权利要求1所述的发射端模块，其特征在于，该发射端模块包含有一驱动电路，该 驱动电路设置于该第一膜层上或一印刷电路板上，并和该电信号传输单元完成电连接，用 以传输该电信号，且该驱动电路并通过传输该电信号以驱动该光源单元。
7.如权利要求1所述的发射端模块，其特征在于，该电信号传输单元并形成于该半导 体基板的第一表面上，而该发射端模块包含有一驱动电路，该驱动电路设置于该电信号传 输单元上，并和该电信号传输单元完成电连接，用以传输该电信号，且该驱动电路并通过传 输该电信号以驱动该光源单元，该驱动电路并可利用系统单芯片方式与对应的集成电路整 合，而具有运算功能与驱动功能。
8.如权利要求1所述的发射端模块，其特征在于，该电信号传输单元为一金属材质，而 该电信号传输单元的部分是靠附于该光源单元下方，用以提供该光源单元发射该光信号时 的散热功能。
9.如权利要求1所述的发射端模块，其特征在于，该第一光波导结构为一硅材质，而该 反射面和该第二膜层间有一 45度的夹角。
10.如权利要求1所述的发射端模块，其特征在于，该光信号经该反射面的反射后，是 以全反射方式于该光波导结构主体中进行传输。
11.如权利要求1所述的发射端模块，其特征在于，该第一光波导结构和该半导体基板 为一体成型，而该反射面能以一半导体蚀刻方式完成。
12.如权利要求1所述的发射端模块，其特征在于，该第一光波导结构的第二端是和一 光纤完成连接，用以将该光信号传输至该光纤中。
13.如权利要求1所述的发射端模块，其特征在于，该第一光波导结构的第二端是和一 印刷电路板的一第二光波导结构完成连接，用以将该光信号传输至该第二光波导结构中。
14.如权利要求1所述的发射端模块，其特征在于，该第一光波导结构的第二端上形成 有一第三膜层，该第三膜层为单层膜或多层膜，用以提供抗反射和增加穿透率并提升对波 长、入射角度或低极化选择性的公差容忍度。
15.如权利要求1所述的发射端模块，其特征在于，该第一膜层、该第二膜层为单层膜 或多层膜，用以提供抗反射和增加穿透率并提升对波长、入射角度或低极化选择性的公差 容忍度。
16.如权利要求1所述的发射端模块，其特征在于，该发射端模块包含有 一第二光波导结构，形成于该第二膜层上；以及一光检测单元，设置于该电信号传输单元上并和该电信号传输单元完成电连接； 其中该第二光波导结构包含有对应的光波导结构主体和对应的反射面，用以传输对应 的另一光信号，而该光检测单元是和该第二光波导结构的反射面的位置相对应，用以接收 对应的光信号并转换成对应的另一电信号。
17.—种发射端模块，应用于对至少一电信号的转换与传输上，该发射端模块包含有 一半导体基板； 一第一膜层，形成于该半导体基板的第一表面上，用以提供抗反射； 一驱动电路，设置于该半导体基板的第一表面上并相邻于该第一膜层，用以通过传输 对应的电信号以进行驱动；至少一光源单元，对应该第一膜层而设置于该驱动电路上并和该驱动电路完成电连 接，用以接收该电信号，并将该电信号转换成对应的一光信号后发射； 一第二膜层，形成于该半导体基板的第二表面上；以及一光波导结构，形成于该第二膜层上，该光波导结构包含有一反射面和一光波导结构 主体，该反射面是位于该光波导结构的第一端上，且该反射面的位置是和对应的光源单元 相对应；其中该驱动电路是具有运算功能，而该光信号能穿透该第一膜层、该半导体基板和该 第二膜层而进入该光波导结构的第一端，并经由该反射面的反射而进入该光波导结构主体 中以进行传输。
18.一种接收端模块，应用于对至少一光信号的传输与转换上，该接收端模块包含有 一半导体基板；一第一膜层，形成于该半导体基板的第一表面上，用以提供电绝缘； 一第二膜层，形成于该半导体基板的第二表面上；一第一光波导结构，形成于该第二膜层上，该第一光波导结构包含有一反射面和一光 波导结构主体，且该反射面是位于该第一光波导结构的第一端上； 一电信号传输单元，形成于该第一膜层上；以及至少一光检测单元，设置于该电信号传输单元上并和该电信号传输单元完成电连接， 且该反射面的位置是和对应的光检测单元相对应；其中对应的光信号能传输进入该光波导结构主体中，经由该反射面的反射而从该第一 光波导结构的第一端穿透该第二膜层、该半导体基板和该第一膜层，并由该光检测单元接收而将该光信号转换成对应的一电信号后，由该电信号传输单元将该电信号进行传输。
19.如权利要求18所述的接收端模块，其特征在于，该半导体基板为一种双面抛光的 单晶硅基板。
20.如权利要求18所述的接收端模块，其特征在于，该光检测单元为一光接收二极管 或一光学接收器。
21.如权利要求18所述的接收端模块，其特征在于，该第一膜层、该第二膜层为一介电质膜层。
22.如权利要求18所述的接收端模块，其特征在于，该接收端模块是应用于一印刷电 路板上的设置，该印刷电路板并能和该接收端模块完成电连接后，输出该电信号。
23.如权利要求18所述的接收端模块，其特征在于，该接收端模块包含有一转阻放大 器电路，该转阻放大器电路设置于该第一膜层上或一印刷电路板上，并和该电信号传输单 元完成电连接，用以传输该电信号，且该转阻放大器电路并能将该光检测单元所转换的该 电信号放大后加以输出。
24.如权利要求18所述的接收端模块，其特征在于，该电信号传输单元并形成于该半 导体基板的第一表面上，而该接收端模块包含有一转阻放大器电路，该转阻放大器电路设 置于该电信号传输单元上，并和该电信号传输单元完成电连接，用以传输该电信号，且该转 阻放大器电路并能将该光检测单元所转换的该电信号放大后加以输出，该转阻放大器电路 并可利用系统单芯片方式与对应的集成电路整合，而具有运算功能与转阻放大功能。
25.如权利要求18所述的接收端模块，其特征在于，该电信号传输单元为一金属材质， 而该电信号传输单元的部分是靠附于该光检测单元下方，用以提供该光检测单元接收该光 信号时的散热功能。
26.如权利要求18所述的接收端模块，其特征在于，该第一光波导结构为一硅材质，而 该反射面和该第二膜层间有一 45度的夹角。
27.如权利要求18所述的接收端模块，其特征在于，该光信号经该反射面的反射后，以 全反射方式于该光波导结构主体中进行传输。
28.如权利要求18所述的接收端模块，其特征在于，该第一光波导结构和该半导体基 板为一体成型，而该反射面能以一半导体蚀刻方式完成。
29.如权利要求18所述的接收端模块，其特征在于，该第一光波导结构的第二端系和 一光纤完成连接，用以接收该光纤中所传输的该光信号。
30.如权利要求18所述的接收端模块，其特征在于，该第一光波导结构的第二端和一 印刷电路板的一第二光波导结构完成连接，用以接收该第二光波导结构中所传输的该光信 号。
31.如权利要求18所述的接收端模块，其特征在于，该第一光波导结构的第二端上形 成有一第三膜层，该第三膜层为单层膜或多层膜，用以提供抗反射和增加穿透率并提升对 波长、入射角度或低极化选择性的公差容忍度。
32.如权利要求18所述的接收端模块，其特征在于，该第一膜层、该第二膜层为单层膜 或多层膜，用以提供抗反射和增加穿透率并提升对波长、入射角度或低极化选择性的公差 容忍度。
33.如权利要求18所述的接收端模块，其特征在于，该接收端模块包含有一第二光波导结构，形成于该第二膜层上；以及一光源单元，设置于该电信号传输单元上并和该电信号传输单元完成电连接； 其中该第二光波导结构包含有对应的光波导结构主体和对应的反射面，而该光源单元 是和该第二光波导结构的反射面的位置相对应，用以接收对应的另一电信号并转换成对应 的另一光信号而由该第二光波导结构进行传输。
34. 一种接收端模块，应用于对至少一光信号的传输与转换上，该接收端模块包含有 一半导体基板；一第一膜层，形成于该半导体基板的第一表面上，用以提供抗反射； 一第二膜层，形成于该半导体基板的第二表面上；一光波导结构，形成于该第二膜层上，该光波导结构包含有一反射面和一光波导结构 主体，且该反射面是位于该光波导结构的第一端上；一转阻放大器电路，设置于该半导体基板的第一表面上并相邻于该第一膜层；以及 至少一光检测单元，对应该第一膜层而设置于该转阻放大器电路上并和该转阻放大器 电路完成电连接，且该反射面的位置是和对应的光检测单元相对应；其中对应的光信号能传输进入该光波导结构主体中，经由该反射面的反射而从该光波 导结构的第一端穿透该第二膜层、该半导体基板和该第一膜层，并由该光检测单元接收而 将该光信号转换成对应的一电信号后，由具有运算功能的该转阻放大器电路将该电信号进 行传输。
全文摘要
本发明涉及一种具有光波导结构的发射端模块和接收端模块，应用于对电信号或光信号的转换与传输上，该发射端模块包含有一半导体基板、一第一膜层、一电信号传输单元、一光源单元、一第二膜层以及一光波导结构。其中光源单元用以接收电信号，并将其转换成光信号后发射；光波导结构的一反射面是和光源单元相对应，而光信号能穿透第一膜层、半导体基板和第二膜层进入光波导结构，并经由反射面的反射而进入一光波导结构主体中以进行传输。而该接收端模块是具有相似的构造；该接收端模块是由其中的一光检测单元接收其所包含的一光波导结构所反射的光信号，并将其转换成电信号后进行传输。
文档编号G02B6/42GK101876732SQ20101020064
公开日2010年11月3日 申请日期2010年6月11日 优先权日2010年6月11日
发明者伍茂仁, 卢冠甫, 常振宇, 张家齐, 张彦中, 李韵芝, 沈帛宽, 萧旭良, 蓝孝晋, 陈进达 申请人:伍茂仁