专利名称：一种自立式平行板分束器及其制作方法和利用自立式平行板分束器的激光二极管封装体结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种自立式(self standing )平行4反(parallel plate )分 束器(beam splitter)及其制作方法和利用自立式平行4反分束器的激光二极 管封装体结构，尤其是一种将根据波长反射或透射光的分束器制作成可自立的 平行板型，之后利用此自立式平行板分束器制作而成的双向通信用激光二极管 封装体结构和具备三工器(triplexer)及波长锁定(wavelength locking) 功能的激光二极管封装体结构。
背景技术：
近来，为大容量信息传送机高速信息通信，将光作为信息传送介质的光 通信得到飞速发展。最近，可利用横、竖长度各为0. 3左右的半导体激光二极 管，轻易将10Gbps (giga bit per sec)的电信号转换为光信号，而可利用半 导体光接收元件，将通过光纤所传送到的光信号转换为电信号。光是具有特殊 性质的能量波，为在同时处于相同区域的各种光之间产生相互作用，作为相互 作用对象的光需具有相同的波长，光相位(phase)相符，而且前进方向相同。 因此，光之间的相干性较差，而可利用光的上迷特点，实现利用一条光纤同时 传送各种不同波长光4言号的波分复用(Wavelength Division Multiplexing: WDM)方式的光通信。上述WDM方式的光通信，可共享作为信号传送介质的光 纤，从而降低铺设光纤所需费用，是非常经济的通信方法。如上所述，WDM (Wavelength Division Multiplexing)方式是利用 一条光纤同时传送或4矣收 各种不同波长光信号的技术，可最大限度地提高利用一条光纤的信息传送量， 从而在通信领域的各个部分得到商业普及。WDM方式也分为激光波长差异较大 的CWDM (Coarse WDM)方式和DWDM (Dense WDM)方式。
CWDM方式可分为利用1 300nm ( nano meter)波段、激光和利用1490nm或 155 0nm波段激光进行通信的情况，及同时利用1 300nm、 1490nm及1550nm的波长的情况。近来，将光纤连接至通信入网者房间内部的FTTH( fiber to the home) 逐渐得到普及。将光纤连接至通信入网者房间内部进行光通信的FTTH方式中， 需要从通信入网者的房间内部生成光信号传送至光信号基站的上行光通信和 将光通信基站传送来的光信号转换为电信号的下行光通信。有分别铺设处理上 行光通信信号的光纤和处理下行光通信信号的光纤进行光通信的方式，但这种 方式将浪费光纤。
因此，最近广泛采用利用一条光纤传送上行光信号及下行光信号的双向 (bidirectional)光通信方式。 一体形成接收通过光纤下^f于传送的光信号并将 其转换为电信号的光接收元件和将电信号转换为光信号并通过光纤进行传送 的光发送元件，从而与一条光纤光结合的模块，统称为BiDi (Bidirectional ) 模块。BiDi模块需在一条光纤上同时光学结合光发送器和光接收器，从而需要 根据光的波长调节光的前进方向的功能。
图1为当前已商用化的典型BiDi模块概略示意图。上述BiDi模块是以 transistor outline (下称"TO")型激光二极管模块和TO型光接收模块为 基础制作而成的。在如图l所示的结构中，从光纤2发射的波长的光信号，经 具有波长选择性的45°过滤器3改变90°的前进方向，射入下部的TO型光接 收元件5而转换为电流信号。T0型激光二极管模块4发射的波长的激光，贯通 45°过滤器3之后，将聚集在光线2。将具备根据波长反射或透射光而分离光 的功能的过滤器，称之为分束器(beam splitter )。因此，在BiDi等双向光 通信模块中，根据波长改变光前进方向的分束器起到重要的作用，而在上述分 束器上将涂覆具有根据波长透射或反射光的特性的物质。但是，上述现有BiDi 模块，为分离处理上行光信号和下行光信号而需要2个TO型光模块和分束器， 而且还需要固定上述部件的外罩(housing ) 1等，其结构复杂，需要较多部件， 生产成本较高。
另外，在组装分束器和T0型激光二极管模块及T0型光接收元件时，可能 出现分束器附着角度偏离所需角度的情况。若分束器附着角度偏离所需角度， 则从光纤发射经分束器反射后，射入TO型光接收内部的光电二极管芯片的光 的位置将改变。射入光电二极管芯片的光的位置，取决于分束器附着角度的精 确度和从分束器至光电二极管芯片的距离。若从分束器至光电二极管芯片之间 的距离较近，则因分束器对其误差对射入光电二极管芯片的光的位置产生的影 响较小，较容易对齐光电二极管芯片的位置。因此，缩短分束器和光电二极管芯片之间的距离，成为提高组装精度的方法，可提高生产性。虽然在本说明中以分束器和光电二极管芯片之间的距离为例进行了说明，但这同样适用于分束器和激光二极管模块内部的激光二极管芯片之间的距离。因此，缩短分束器和激光二极管芯片之间的距离及缩短分束器和光电二极管芯片之间的距离，不仅是缩短空间，而且是增加各构成光学部件的对齐误差余地的方法，从而是可提高组装生产性的重要方法。因此，若有能够最大限度地缩短激光二极管芯片和分束器或分束器和光电二极管芯片之间距离的方法，则是极大地提高生产性的重要的技术因素。
另外，曾提出BiDi模块的组装方法，其利用通过反射在分束器倾斜面，改变从激光二极管模块发射的激光前进方向，而接收的激光直接透射分束器倾在+面的方法。
图2为应用上述组装方法的美国专利第4733067号。如图2所示，美国专利第4733067号模块，具备作为分束器的棱镜，而上述棱镜以90°改变从侧面水平射入的激光的前进方向，而接收的光透射棱镜由棱镜下部的接收器接收。如图2所示，若将棱镜用作分束器，需在非平行面的呈45。间角的棱镜的底面和倾斜面涂覆具有反射或透射性能的涂层，因此其涂覆过程复杂，制作费用高。另外，在棱镜制作过程中，需研磨呈45°间角的棱镜的底面和倾斜面，使其成为镜面，但这需要在制作完成棱镜之后进行，因此其制作费用较高。另外，在图2中，垂直向下前进透射棱镜倾斜面的光，在透射棱镜底面之后不能垂直向下前进，因此给精密组装产生影响。图3为表示上述棱镜特性的光前进路径，假设上述棱镜由折射率为1. 5的玻璃材料制作而成。
如图3所示，垂直向下射入棱镜倾斜面的光，在棱镜内部根据斯涅尔定律相对于垂直方向呈28°角前进之后，呈26°角离开棱镜下部前进。这表明需根据棱镜和作为光接收元件的光电二极管芯片之间的距离改变光电二极管芯片的活性区域，是增加光电二极管芯片设置难度的因素。
图4为应用平行板型分束器的美国专利第7093988号。如图4所示，美国专利第7093988号，在呈45°倾斜角的支撑台附着平行板型分束器，将激光二极管芯片附着于分束器的一側面，而将光电二极管芯片附着于分束器下部。上述方法需形成呈45。倾斜角的支撑台，并在上述支撑台附着分束器，因此增加图5为应用硅基底的美国专利第4807238号。如图5所示，上述美国专利提供利用硅基底的蚀刻倾斜面，将从水平设置的激光二极管芯片水平发射的激光的前进方向，改变为向上的方向的方法。在如下对本专利技术的说明中，为避免说明过程中的混淆，结晶(crystal)的面方向用中括号{ }表示。在上述专利的说明中，若用各向异性蚀刻液蚀刻具有{100}面的面方向的硅等具备钻石结构的晶片，则蚀刻出的蚀刻侧面为{111}面，而上述{111}面相对于{100}底面具有54.74°的倾斜角，因此，从激光二极管芯片水平发射的光，经倾斜面反射，以非垂直方向的倾斜角度发射。为了将因光轴倾斜而向上部方向前进的激光的光轴改变为垂直方向，需在倾斜面上附着Fresnel lens,而上述Fresnel lens为很难制作的部件，这样的部件不仅耗费昂贵的制作成本，而且需精密调节经Fresnel lens和倾斜面改变前进方向的激光的光轴，而其难度较大。
图6为应用梯形分束器的美国专利第5566265号。上述美国专利，利用一侧面具有接近45。的倾斜角，而相反侧面具有垂直形状的梯形分束器，实现可进行双向通信的1T0型封装体。上述美国专利的梯形分束器中，从光纤接收的光射入接近45。的倾斜面，而从水平面离开，所以，如图3所示，射入分束器之前的射入方向和离开分束器之后的前进方向不同，因此难以组装。另外，用于上述美国专利的梯形分束器，因直接利用倾斜面透射或反射光，因此需直接在倾斜面涂覆涂层，但因在倾斜面上精确涂覆薄膜是非常困难的工艺，其难以制作。
图7为应用2个棱镜的美国专利第4733067号。上述美国专利，利用将2个棱镜相结合的分束器，实现利用一个T0型封装体进行双向通信的模块。在上述分束器中，通过2个棱镜所形成的各3个，共6个表面透射或反射光，但适当涂覆2个棱镜形成的6个面，且结合3面涂覆的2个棱镜制作分束器的过程相当复杂，而且成本高。
图8为应用平行四边形分束器的美国专利第6879784号。如图8所示，上述美国专利为在optical pick-up利用平行四边形棱镜的分束器分离光的方法，因光在平行四边形的四边透射或反射，因此需在四面形成如4竟面的光滑的
面，而且需在四面涂覆具有适当反射及透射特性的电介质薄膜，难以制作。另
外，从内置于模块内部的激光二极管芯片发射的激光，以45°射入角射入棱镜之后，经相对于45°的倾斜面再具有45°角度的水平面离开，因此，如图3所示，透射棱镜之后的光的光轴不具有垂直向上的方向，光轴对齐较难。
如上所述，上述现有双向通信用BiDi模块，分束器的制作复杂，为光对齐的组装较难，制作成本高。
另外，近来光通信的世界趋势为，需要可将数据(data)、语音(voice)和模拟视频信号(analog video; broadcating )整合为一体的三重播放(tripleplay)。作为通信相关国际标准的ITU. T G983. 3,将1260 ~ 1360nm波长(下称1310nm波段)分配给上行数据信号频率；将1480 ~ 1500nm波长(下称1490nm波段)分配给下行数据信号频率；而将1550 ~ 1560nm波长(下称1550nm波段)分配给视频信号频率。因此，需要利用一条光纤向上发送310nm波段光信号，同时发收1490nm波段下行数据信号和1550nm波段下行视频信号的光学模块，而具备上述功能的光学模块统称为三工(triplexer )模块。在三工(triplexer )模块中，为了同时光连接光纤、光发送器和多个光接收器，需要改变光前进方向和分离波长的功能。
图9为应用上述三工模块的美国专利第6493121号。
如图9所示，上述美国专利提供利用3个TO型激光二极管模块、1490nm波段用光电二极管模块及155 0nm波段用光电二极管模块，利用一条光纤传送3种光信号的方法。如图9所示的现有三工结构，利用2个波长分离分束器，在光线中混合传送的1550mn波段的光信号和1490nm波段的光信号中，将1550nm波段的光信号，在第一分束器中反射90度，射入1550nm波段接收用光电二极管模块，提取1550nm波段的光信号；而光纤中传送的1490nm波段的波长，直接透射第一分束器射入第二分束器。第二分束器将1490nm波段的光信号反射90度，并射入1490nm波段用光电二极管模块，提取光信号。而从T0型激光二极管模块发射的1310nm波段的上行光信号，直接通过第二和第一分束器，与光纤光学结合，将信号向上传送。这样，为分离处理1310nm波段的上行光信号、1490nm波段的下行光信号及1550認波段的下行光信号，需要3个T0型光模块和2个分束器，而且还需要固定上述部件的外罩，其结构复杂，需要较多部件，生产成本较高。
上述双向通信用BiDi模块或三工模块，是利用一条光纤发收不同波长的多个光信号的技术。尤其是，近来采用利用一条光纤传送具有很窄的波长间隔的光信号的DWDM系统，而DWDM是指将激光分成多个窄的nm波段进行通信的情况。拟定通信设备及通信方式国际标准的 ITU-T ( Internat ionalTelecommunications Union-Telecommunication Standardization Sector)，作为DWDM选用具有大致100GHz间隔的特定频率的激光。若将上述所允许的频率转换为波长，将常委约0. 8nm左右的波长间隔。因此，用于DWDM的激光需具有很窄的发射线宽，而且需对各种外部运用环境的变化，表现出稳定的波长。用作具有很窄的发射线宽的激光有DFB-LD (distributed feedback laserdiode)等。 一般而言，制作精良的DFB-LD的-2 0dB (decibel)线宽为0. 2nm以下，远小于ITU-T规定的波长间隔，因此不会在DWDM通信过程中产生重叠。但是，半导体激光二极管，随使用温度及注入电流密度等的不同，其内部折射率发生变化，从而导致输出波长的变化。 一般而言，DFB-LD对每rC的温度变化，产生约0. 09nm的发射波长变化。即，若将相同DFB激光二极管在相差9。C左右的条件下使用，则发射波段从原波段的ITU-T grid移向相邻grid,从而导致通信混乱。
因上述问题，为保持激光二极管的运行温度环境，开发出内置热电元件的激光二极管封装体。但是DFB激光二极管的发射波长，不仅受激光二极管芯片工作环境温度的影响，而且还受激光二极管芯片驱动电流等各种因素的影响，从而需要非手动调节激光二极管波长，以维持激光二极管芯片的一定驱动温度，而需要直接监控激光二极管芯片的波长变化并进行调节的方法。
这种监控激光二极管发射波长并维持一定波长的功能称之为波长锁定(wavelength locking)。波长锁定功能，可通过在激光二极管模块外面，通过衍射格4册(grating)调查衍射确认波长，并一艮据其改变激光二极管的驱动温度的方法实现，但这种方法的结构体积很大。因此，为了直接在激光二极管模块内，监控激光二极管芯片的波长并抵消其波长变化，开发出改变激光二极管芯片工作温度的方法。
作为产生数milli watt以上输出的半导体激光二极管芯片的典型结构，边缘发射型(edge emitting)半导体激光二极管芯片，在芯片的两侧边缘向 相反方向发生激光。从激光二极管芯片的边缘发射的光的强度，可通过调节两 侧边缘的反射率来调节。通常，将光的强度大的一侧称之为半导体激光芯片的 前面(front side ),而将光的强度弱的一侧称之为芯片的后面(back side )。 通常，将激光二极管芯片前面较强发射的光用于发送通信信号，而将激光二极 管后面较弱发射的激光，射入内置于模块的光电二极管芯片，以监控激光二极 管芯片的运行状态。
图10为在上述现有激光二极管模块内，监控激光二极管芯片发射波长变 化的波长锁定型激光二极管模块。
如图IO所示，从设置于外罩10内的激光二极管芯片20后面发射的激光， 首先经透镜70变成平行光之后，直接透射激光强度中已决定的比率，其余的 光通过以90度改变前进方向的分束器30,从而将从激光二极管芯片20后面发 射的激光分为2个前进方向之后，其中一束激光继续前进，在作为监控光接收 元件的光电二极管芯片40检测光强度，而其余一束激光通过具备波长选择性 的过滤器50之后，射入光电二极管芯片60。另外，从激光二极管芯片20前面 发射的激光，通过透镜80之后聚集到外罩10外部的光纤90。
在上述结构中，若激光为通过分束器30直接射入光电二极管芯片40的激 光，对于激光中数nano meter以下的波长变化，在光电二极管芯片40中不改 变光电流；而通过分束器30之后通过波长选择性过滤器50的激光，根据波长 选择性过滤器的特性，对nano meter以下的细樣史波长变化，也敏感i也改变光 电二极管芯片60的光电流特性。因此，激光的波长变化，可通过比较通过分 束器30分为2个路径的激光的强度来测得。但是，通常的方法中，分束器的 大小为1. Omm*l. Omm*0. 5mm以上，比较大，而且2个内置型光电二极管芯片40、 60,以相直交的形式设置，从而增加模块的大小。因此，具备波长锁定功能的 激光二极管模块，利用叫做蝶式封装体的比其他光通信激光二极管外罩大很多 的封装体外罩实现。另外，在图10中，在附着正方体分束器30时，水平方向 的附着角度可通过附着精度调节，而因被分束器30反射的光的方向随分束器 30的附着角度改变，从而需非常精确地附着分束器30和各光电二极管芯片40、 60,难度较大。
在当前光通信部件实现为SFF ( small form factor )或SFP ( sma 11 form factorpluggable)等很小的收发器(transceiver)的情况下，蝶式封装体不能设置于上述小的收发器。因此，应用于当前商用化的SFF或SFP等收发器 (transceiver)的DWDM用激光二极管封装体外罩，通过微型扁平或迷你型来 实现，而这些激光二极管封装体外罩，不能内置实现波长锁定功能的2个光电 二极管芯片，因此，当前为DWDM的迷你(mini-DIL)、微型扁平(mini-flat) 型封装体外罩，排除波长锁定功能，而只单纯地维持激光二极管芯片的一定温 度。因排除波长锁定功能，微型扁平或迷你型封装体，不能主动稳定激光二极 管芯片的波长，而采用只调整激光二极管芯片运行温度的被动温度稳定方法， 不能实现精密的波长稳定。因此，需要可内置于SFF或SFP的超小型收发器的 同时，具备波长锁定功能的新封装方法。
另外，利用微型扁平或迷你型封装外罩制作而成的光收发器，因独立制作 用于上行光信号和下行光信号的上行光发送器(transmitter)和下行光接收 器(receiver )并将其设置于SFF或SFP的收发器，因此为使用上述光收发器， 需要两条光纤。但是，近来广泛使用利用一条光纤发收光信号的双向光通信模 块(bidirectional optical transmission)。因jt匕需要秀t、定'激光二才及管芯片 的发射波长的同时，可实现双向通信的超小型激光二极管封装体，其可在小型 封装体体积中监控激光二极管芯片的发射波长变化，并驱动抵消发射波长变化
的内置热电元件，改变激光二极管芯片的驱动温度。到目前为止，还未开发出 具备双向通信功能并具有波长锁定功能的DWDM用光模块产品。
如上所述，边缘发射型结构的激光二极管，在激光二极管芯片的两边缘， 发射与边缘的透射率成比例强度的激光。但这样的讨论适用于两边缘的反射率 都超过数y。左右的情况，若一侧边缘的反射率为0. 1°/。以下，而另一侧边缘的反
射率为数十y。，从而表现出较大差异时，根据向激光二极管芯片的电流注入情 况，从两边缘发射的光的能量比率将发生变化。具有上述特性的代表性激光二
极管芯片有反射型半导体光放大器(reflective semiconductor optical amplifier)。反射型半导体光放大器的前面，通常具有0. 1%以下的反射率， 而反射型半导体光放大器的后面，通常具有数十。/。以上的高反射率。此时，与 因在激光二极管后面检测的激光强度不能代表从激光二极管芯片前面发射的 激光强度，如通常的激光二极管模块一样，在芯片后面设置激光二极管芯片监 控用光电二极管芯片的技术不同，采用将从激光二极管前面发射的激光与光纤 结合，之后将上述与光纤相结合的光能的一部分，通过以光纤或waveguide结 构制作而成的光分配器按一定比例分离，接着将经分离的光信号射入光电二极管，从而检测激光二极管芯片工作状态的方法。但是，上述为监控激光二极管 芯片工作状态，而在激光二极管模块前面设置光分配器的方法相当复杂，成本 也4艮高。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种自立式平行板分束器及其制作方法，其制作 容易，易设置于激光二极管封装体。
本发明的另一目的在于，提供一种激光二极管封装体结构，其利用容易设 置的自立式平行板分束器实现双向通信。
本发明的又一目的在于，提供一种激光二极管封装体结构，其利用容易设 置的自立式平行板分束器实现三工功能。
本发明的还一目的在于，提供一种激光二极管封装体结构，其利用容易设 置的自立式平行板分束器实现波长锁定功能。
本发明的再一目的在于，提供一种激光二极管封装体结构，其具备利用从 激光二极管芯片前面发射的激光的一部分，监控激光二极管芯片工作状态的前 面检测功能。
本发明的方法，是将45°角度的自立式平行板分束器插入T0型封装体内， 在45°角度的自立式平行板分束器旁设置激光二极管芯片，从而将从激光二极 管芯片发射的上行激光，通过以45°角度设置于激光光轴的分束器的倾斜面进 行反射，以90°改变激光的前进方向，从而使其通过形成于TO型封装体上部 的开口部，与设置于TO型封装体外部的光纤光学结合；而从设置于TO型封装 体外部的光纤发射的下行光信号，将透射分束器射入设置于分束器下部的光电 二极管芯片，从而接收光信号。
在上述方法中需精确调节分束器角度，以稳定结合光纤和内置的激光二极 管芯片，而上述光纤光学结合效率随向光纤的光射入角敏感变化。本发明提供 利用可精确调节倾斜角角度的自立式分束器，在一个TO型封装体实现双向通 信用BiDi功能的方法和实现三工功能的方法。
另外，本发明自立式分束器，可通过分束器表面涂层的特性实现各种功能。 可利用上述45。分束器制作而成的模块有，具有波长稳定化功能的DWDM用TO 型模块；具有波长稳定化功能的双向通信用DWDM的TO型模块；及可利用从激光二极管芯片前面发射的激光，检测激光二极管芯片工作状态的前面监控用激 光二极管TO封装体等。
图1为现有商用化的可进行双向通信的BiDi模块概略图2为现有利用棱镜实现双向通信的美国专利第4733067的概念图3为说明棱镜特性的光前进路径一例；
图4为现有应用平行板型分束器的美国专利第7093988号的概念图5为现有应用硅基底的美国专利第4807238号的概念图6为现有应用梯形分束器的美国专利第5566265号的概念图7为现有应用2个棱镜的美国专利第4733067号的概念图8为现有应用平行四边形分束器的美国专利第6879784号的概念图9为现有应用三工模块的美国专利第649 3121号的概念图10为在现有激光二极管模块内，监控激光二极管芯片发射波长变化的
波长锁定型激光二极管模块的概念图11为应用于本发明的边缘发射型半导体激光二极管芯片概略结构图12为应用于本发明的半导体光电激光二极管概略结构图13为本发明一实施例自立式平行板分束器侧面图14为若本发明实施例自立式平行板分束器的前面倾斜面和后面倾斜面，
对所射入的光具有反射特性时的光的前进路径一例；
图15为若本发明实施例自立式平行板分束器对所射入的光具有透射特性
时，从水平方向和垂直方向射入分束器的光的前进路径一例；
图16为根据本发明实施例，以水平方向射入自立式平行板分束器后面倾
斜面的光，透射后面倾斜面之后，经前面倾斜面反射时，激光的前进路径一例； 图17为利用本发明实施例自立式平行板分束器的双向通信用激光二极管
封装体整体结构图18为上述图17所示BiDi单元的详细结构图19为设置于本发明实施例双向通信用激光二极管封装体的基台平面示 意图20及图21为根据本发明实施例，在第一基台上部设置第二基台和自立 式平行板分束器的一例；图22及图23为根据本发明实施例，利用半导体硅晶片制作具有波长选择 性的自立式平行板分束器的制作过程概念图24为利用图23所示特性的单晶硅晶片制作自立式平行板分束器的制作 过程概念图25为根据本发明实施例，利用sawing方法制作自立式平行板分束器的 制作过程一例；
图26为根据本发明另一实施例，利用sawing方法制作自立式平行板分束 器的制作方法一例；
图27为根据本发明实施例，通过利用等离子的干式蚀刻法制作自立式平 行板分束器的方法一例；
图28为本发明实施例自立式平行板分束器各种形式一例；
图29为根据射入本发明实施例自立式平行板分束器的光的位置的不同而 变化的光的路径一例；
图30为可使沿垂直向下前进的激光透射自立式平行板分束器之后继续拥 有垂直向下的前进方向的自立式平行板分束器前面倾斜面射入点最少高度一 例；
图31为上述图17和图18所示BiDi单元的详细组装顺序图； 图32及图33为通常光电二极管芯片的结构图34为在传递电信号的基底上倒装焊接光电二极管芯片的状态一例； 图35为杂散光进入光电二极管芯片活动区域一例； 图36为根据本发明实施例，减少杂散光所产生的噪音成分一例； 图37为本发明实施例激光半导体二极管芯片前面监控功能概念图； 图38为内置上述图37所示前面监控用光电二极管芯片的T0型封装体结 构图39为根据本发明实施例，在一个封装体内内置所有三工功能的三工模 块结构图40为根据本发明实施例，应用2个自立式平行板分束器的T0型封装体 一例；
图41为根据本发明实施例，利用2个自立式平行板分束器实现图39的功 能的三工模块结构图42为以现有2T0型BiDi模块形式制作而成的本发明实施例三工模块一例；
图43为本发明一实施例具有波长锁定功能和双向通信功能的T0型激光二 极管封装体结构图44为本发明实施例双向波长锁定单元结构图45为显示窄线宽过滤器很窄的透射线宽特性的曲线图46为无自立式平行板分束器下部的接收用光电二极管芯片，而只具有 波长锁定功能的模块的设置平面图。
附图标记说明
100:激光二极管芯片；
200:自立式平行板分束器；
210:可进行双向通信的BiDi用自立式平行板分束器；
220:前面监控用自立式平行板分束器；
230:可进行双向通信的三工用自立式平行板分束器；
231:可为1490nm波段波长分离而进行双向通信的三工用自立式平行板分 束器；
232:可为1550nm波段波长分离而进行双向通信的三工用自立式平行板分 束器；
240:具有波长锁定功能和双向通信功能的DWDM用自立式平行板分束器； 270:对所有波长具有反射特性的自立式平行板分束器； 300: 第一基台； 310: 第二基台； 320: 第三基台；
400:后面监控用光电二极管芯片；
410:后面监控用光电二极管基台；
450:前面监控用光电二极管芯片；
460:前面监控用光电二极管芯片基台；
500:接收来自光纤的光信号的接收用光电二极管芯片；
510:接收用光电二极管芯片基台；
501:接收来自光纤的1490nm波段波长光信号的接收光电二极管芯片； 511:为接收来自光纤的1490認波段波长光信号的接收光电二极管芯片的 基台;502:接收来自光纤的1550nm波段波长光信号的接收光电二极管芯片； 512:为接收来自光纤的1550nm波段波长光信号的接收光电二极管芯片的
700透镜；
710窄线宽过滤器；
810n-型接触金属；
820n-InP基底；
830u-InGaAs光吸收区域；
840u-InP;
850p-InP;
860p-InGaAsj
870Ti/Pt/Au p-型接触金属。
具体实施例方式
下面，结合附图对本发明较佳实施例进行详细说明。
作为本发明实施例的产生1 300nm或1550nm波长激光的半导体激光芯片， 采用在具有n型掺杂特性的InP基底上，使磷砷化镓铟(Indium Gallium Arsenide Phosphide; InGaAsP )层成长为或形成之后，4吏p-型InP成长为clad, 而且才艮才居情况在p—InP clad层上，^f吏p—InGaAs (Indium Gallium Arsnide ) 层成长为p-型金属接触电极的结构。根据其制作方法，半导体激光芯片可分为 向结晶成长方向发射激光的垂直腔表面发射二极管(vertical cavity surfaceemitting diode; VCSEL )芯片和激光沿着与结晶成长方向垂直形成的 波导(waveguide),从芯片的边缘横截面发射的边缘发射型激光二极管(edge emitting laser diode; EEL)芯片。本发明更适合于边缘发射型激光二极管。 图11为应用于本发明的边缘发射型半导体激光二极管芯片概略结构图。 如图11所示，边缘发射型半导体激光二极管芯片，通常具有厚度约为80-lOOiam，横、竖长度约为300 ~ 600 的正方体形状，当使用n-型基底时，发 射激光的活性区域为p-型表面中接近4 ~ 5 ju m以内表面的区域。将上述厚度较 薄的半导体激光二极管附着于其他基底的最简单方法是，将较宽的底面冲下附 着，而且因其稳定性较差， 一般不采用将半导体激光二极管芯片的侧面附着于 基底的方法。因此，若使半导体激光二极管芯片的较宽底面粘合于基底底面，则可从边缘两侧水平发射激光。
图12为应用于本发明的半导体光电激光二极管概略结构图。
一4殳而言，；险测1310 ~ 1550ntn波长的近红外线波段激光的光电二才及管芯 片上，作为光吸收层使用n-InP基底上晶格匹配于InP的InGaAs。若在InGaAs 层的一部分形成p-n结合，则只有形成p-n结合的区域才能成为有效的光吸收 层，而未形成p-n结合的InGaAs层，即使吸收光也不能产生电信号。因此， 接收用光电二极管芯片的活性区域为可通过吸收光产生电信号的InGaAs光吸 收层的形成p-n结合的区域。晶格匹配于InP的InGaAs的带隙能为0. 75eV (electron volt),可吸收1310 ~ 1550nm波长的广，而InP基底的带隙能为 1. 35eV,不能吸收1310 ~ 1550nm波长的光。上述结构的光电二极管芯片，具 有厚度约为8 0~ lOOjam,横、竖长度约为300 ~ 600 ju m的正方体形状。因此， 上述规格的光电二极管芯片，也像激光二极管芯片一样使较宽的地面朝下粘合 于基底使用，此时，需被光电二极管吸收并转换为电信号的光信号，在广电二 极管芯片的上部，对向下前进的光作出适当的反应。
如上述图11及图12所示，将半导体激光二极管芯片和半导体光电二极管 芯片，使其较宽底面朝下附着于水平基底时，从激光二极管芯片发射的激光将 沿水平方向前进，而将射入光电二极管的光，需沿垂直下方前进。因此，为了 将半导体激光二极管芯片和半导体光电二极管芯片的底面水平固定，将从半导
体激光二极管芯片水平发射的激光结合于光纤，且将从上述光纤发射的激光有 效地垂直照射于光电二极管芯片，需在激光二极管芯片的光轴和射入光电二极 管芯片的光轴的交叉点设置分束器，从而以90°改变一条激光的前进方向，而 不改变另 一条激光的前进方向。
图13为本发明一实施例自立式平行板分束器侧面图。
如图13所示，本发明自立式平行板分束器200，平行设置前面倾斜面(F) 和后面倾斜面(B)并与底面呈45°角，且固定底面，从而形成可自立的结构。 为使上述前面倾斜面(F)和后面倾斜面(B)，具有随激光波长改变的透射和 反射特性，可在其上涂覆各种涂层，根据射入此自立式平行板分束器200的光 的射入路径和前面倾斜面(F)及后面倾斜面(B)的涂覆状态，激光将具有各 种透射或反射路径。
图14为若本发明实施例自立式平行板分束器的前面倾斜面和后面倾斜面， 对所射入的光具有反射特性时的光的前进路径一例。如图14所示，当自立式平行板分束器的前面倾斜面(F)和后面倾斜面(B), 对底面形成45°的倾斜角时，以水平方向射入前面倾斜面(F)和后面倾斜面 (B)的光，将沿向上或向下垂直方向改变前进方向之后反射。因此，若将边缘 发射型激光二极管芯片设置于自立式平行板分束器的前面倾斜面(F)发射激 光，则从激光二极管芯片沿水平方向前进的激光，在自立式平行板分束器的前 面倾斜面(F),以90°改变前进方向，从而向作为自立式平行板分束器上部 方向的垂直向上的方向前进。此时，从激光二极管芯片发射的激光只需扩散至 水平方向，因此使激光二极管芯片较宽底面朝下附着于基底即可，从而使激光 二极管芯片的附着变得非常容易。
图15为若本发明实施例自立式平行板分束器对所射入的光具有透射特性 时，从水平方向和垂直方向射入分束器的光的前进路径一例。
为便于说明，以自立式平行板分束器的前面倾斜面(F)和前面倾斜面(F) 的垂线所形成两轴为准i史置4个四分之一平面，垂直向下接近自立式平行^反分 束器前面倾斜面(F)的光，从第一四分之一平面射入，而水平接近自立式平 行板分束器前面倾斜面(F)的光，从第二四分之一平面射入。
因自立式平行板分束器前面倾斜面(F)与水平形成45°角，因此从垂直 下方接近的激光和从水平方向接近的激光，都与前面倾斜面(F)的垂线具有 45。的射入角。在本发明实施例中，自立式平行板分束器的材料选用折射率为 3. 5左右的硅(silicon)。因空气中光的折射率为1. 0,因此当激光透射硅时， 根据斯涅尔定律，硅内部的折射角可用如下数学式表示
数学式1<formula>formula see original document page 22</formula>
在此，m为射入空间内光的折射率；rb为折射空间内光的折射率；6:为相 对于射入面垂线的光射入角；62为相对于射入面垂线的折射光的角度。
激光对前面倾斜面(F)的垂线具有45°的射入角时，根据斯涅尔定律， 激光在分束器内部具有11.7°的折射角。因此，以与水平方向呈45°的射入 角射入前面倾斜面(F)的光从第二四分之一平面射入，折射光具有11.7°的 折射角，并向第四四分之一平面折射前进；以与垂直方向呈45。的射入角射入 前面倾斜面(F)的光从第一四分之一平面射入，折射光具有ll. 7°的折射角， 并向第三四分之一平面折射前进。这样折射前进的光到达自立式平行板分束器 后面倾斜面(B),则因后面倾斜面(B)和前面倾斜面(F)相互平行，因此各激光对后面倾斜面(B)的射入角为11.7° 。因此，透射硅媒介进入空气中 的激光，因斯涅尔定律的可逆性，回复原来的前进方向，以水平方向到达自立
式平行板分束器前面倾斜面(F)的光，以水平方向离开后面倾斜面(B);而 以垂直方向达到自立式平行板分束器前面倾斜面(F)的光，以垂直方向离开 后面倾斜面(B)。到达自立式平行板分束器前面倾斜面(F)的光和离开后面 倾斜面(B)的光具有相同前进方向，与媒介的折射率无关，而只要分束器前 面倾斜面(F)和后面倾斜面(B)相互平行，即可得到这样的结果。因此，当 自立式平行板分束器的前面和后面相平行时，射入自立式平行板分束器的光， 将保持原来的前进方向成分里考自立式平行板分束器，从而较容易控制激光的 前进路径。
图16为根据本发明实施例，以水平方向射入自立式平行板分束器后面倾 斜面的光，透射后面倾斜面之后，经前面倾斜面反射时，激光的前进路径一例。
以水平方向射入自立式平行板分束器后面倾斜面(B)的光，如图15中的 说明，根据斯涅尔定律，具有11.7°的折射角，且透射硅媒介内。若自立式平 行板分束器前面倾斜面(F)对透射硅媒介的光具有反射特性，则激光经前面 倾斜面(F),重新到达自立式平行板分束器后面倾斜面(B)。经自立式平行 板分束器前面倾斜面(F)反射到达自立式平行板分束器后面倾斜面(B)的光， 进入第一四分之一平面，因此空气中折射前进的角度为第三四分之一平面的垂 直方向。但是，虽然激光经自立式平行板分束器后面倾斜面(B)直接反射的 方向和经自立式平行板分束器前面倾斜面(F)反射离开自立式平行板分束器 后面倾斜面(B)的方向相同，但存在水平距离的差异，这取决于媒介的折射 率和自立式平行板分束器的厚度。
如图14至图16所示，可通过调节自立式平行板分束器2I前面倾斜面(F )和后面倾斜面(B)的透射及反射特性，射入自立式平行板分束器的光将具 有各种前进路径。因此，可通过适当涂覆自立式平行板分束器的前面倾斜面 (F)和后面倾斜面(B)，调节上述各种前进路径。利用上述对各种路径的控 制，可制作出集成激光二极管芯片和光电二极管芯片的具有各种功能的光学模 块。
T0型封装体为广泛用于光通信激光二极管封装体的封装体，而通常的通信 半导体激光二极管TO型封装体主要使用型号为T056的封装体外罩，而此T056 型封装体为直径5. 6mm的超小型封装体。另外，通常的光电二极管芯片内置于称为T046的TO型封装体外罩内，而此T046型封装体外罩为直径5, 4mm的超 小型封装体外罩。以上述T056型和T046型为基础制作而成的duplexer transceiver或BiDi transceiver的体积很小，可应用于包括各种驱动电路的 称之为small form factor ( SFF )或small form factorpluggable ( SFP )的 小体积transceiver中。因此，为制作超小型SFF或SFP,需要利用超小型TO 型封装体的激光二极管及光电二极管封装体。因此，将发送用激光二极管芯片 和接收用光电二极管芯片内置于一个TO型封装体外罩时，也要求最大限度地 减少TO型封装体外罩的体积。
如上述图13至图16所示，本发明实施例自立式平行板分束器可用于制作 上述超小型T0型封装体。
图17为利用本发明实施例自立式平行板分束器的双向通信用激光二极管 封装体整体结构图；图18为上述图17所示BiDi单元的详细结构图；图19为 设置于本发明实施例双向通信用激光二极管封装体的基台平面示意图。
如图17所示的双向通信用激光二极管封装体，是用一个TO型封装体来实 现利用一条光纤同时发收上行光信号和下行光信号的BiDi transceiver的。
上述TO型封装体中内置BiDi单元10，其具备可生成上行发光激光信号的 半导体激光二极管芯片和接收下行激光并转换为电信号的光电二极管芯，而此 BiDi单元10将设置于stem basell的上部。另外，在stem basell上，上下 贯通设置有多个电极针15，可电连接由金属材料制作而成的stem basell和电 极针15,而且用可hermetic sealing的glass材料16密封。在包括上述BiDi 单元10的stem basell上述，设置金属材料的盖(cap ) 12以完成TO型BiDi transceiver,而上述stem basell及盖12的材料，可选用作为铁(iron )或 Covalt、 Nickel及Iron的合金Kovar。
上述盖12,在上部一侧形成可使激光通过的孔之后，设置可使激光通过的 板型玻璃或玻璃材料的球面透镜(ball lens),从而完成hermetic sealing; 上述图17表示盖12的激光贯通孔被平板玻璃13堵住的情况，但此部分可利 用球面透4竟(ball lens)或非球面透镜(aspherical lens)密封。
上述结构的TO型BiDi封装体中，从BiDi单元IO发射的激光，通过挡住 盖12的贯通孔的平板型玻璃13之后，经为在图中标示的透镜聚集到光线，完 成激光信号的上行传送。另外，从未在图中标示的光纤发射并经透镜，通过T0 型封装体的盖12贯通孔的下行激光信号，在BiDi单元10的接收用光电二极管芯片转换为电信号，完成下行光信号的接收。
如图18所示，本发明TO型封装体的BiDi单元10，在第一基台300的上 部一侧，设置楔形自立式平行板分束器210,而其具备对底面呈45。倾斜角的 前面及后面倾斜面；在此自立式平行板分束器210的侧面，设置第二基台310; 而在此第二基台310的上部，向自立式平行板分束器210的前面倾斜面，设置 激光二极管芯片100。此时，第二基台310的外观与自立式平行板分束器210 相反，从而与自立式平行板分束器210的前面倾斜面相吻合，从而组装成使激 光二极管芯片100最大限度地接近自立式平行板分束器210的前面倾斜面的状 态。
如图19所示，上述第一基台300呈"匚"字形，并在上下贯通的槽插入 设置其上部设置有接收用光电二极管芯片500的接收用光电二极管芯片基台 510。
图20及图21为根据本发明实施例，在第一基台上部设置第二基台和自立 式平行板分束器的一例。
本发明自立式平行板分束器210,较之如图20所示，直接结合自立式平行 板分束器210的底面和前面倾斜面而形成45。的锐角，如图21所示，在之间 设置切断自立式平行板分束器210底面和前面倾斜面的其他角度切剖面为宜， 这便于组装。这是因为，如图20所示，若自立式平行板分束器210的底面和 前面倾斜面直接结合，则因在自立式平行板分束器210和第二基台310之间没 有空间，因此附着自立式平行板分束器210及第二基台310所用的solder或 环氧树脂等粘合剂301,渗入自立式平行板分束器210和第二基台310之间， 阻碍紧密结合自立式平行板分束器210和第二基台310。因此，如图21所示， 若在自立式平行板分束器210的底面，形成切断自立式平行板分束器210的前 面倾斜面和底面的新的切剖面，则可在自立式平行板分束器210和第二基台310 结合部位下部面形成空间，从而使剩余solder或环氧树脂等粘合剂301填充 于此，从而紧密结合自立式平行板分束器210和第二基台310。
上述自立式平行板分束器210的前面倾斜面，反射相当于从激光二极管芯 片100发射的激光的波长的光，而透射相当于从未在图中标示的光纤发射，并 向接收用光电二极管芯片500前进的激光的波长的光。本发明需要监控通过光 纤传送而来的外部光信号的第一光电二极管芯片和监控未在图中标示的激光 二极管芯片100工作状态的第二光电二极管芯片，而为了便于说明，将检测外部光信号的第一光电二极管芯片称之为接收用光电二极管芯片500，而将监控 激光二极管芯片IOO工作状态的第二光电二极管芯片称之为监控用光电二极管 芯片。另外，下面假设从激光二极管芯片IOO发射的激光具有1310nm的波长， 而从光纤向接收用光电二极管芯片500的激光具有1490nm的波长，而上述波 长的分类只是为了便于说明，实际应用中上述波长可互换。以上述结构制作而 成的模块中，从激光二极管芯片100发射的1310nm的激光，经自立式平行板 分束器210的前面倾斜面反射，因90°改变前进方向之后，经未在图中标示的 上部透镜传送至光纤。因光的前进路径具有可逆(reversible)的特性，从光 线发射的1490rnn波长的激光，以从激光二极管芯片100向光纤前进的1310nm 波长的激光的前进方向相反的方向，射入自立式平行板分束器210。自立式平 行板分束器210的前面倾斜面，透射从光纤发射的1490nm的激光，到达自立 式平行板分束器210前面倾斜面的149 0nm的激光，透射自立式平行板分束器 210的内部前进。因用于本发明的自立式平行板分束器210,以不吸收1310nm 或1490nm的近红外线区域波长的硅或玻璃作为基础材料，前进至自立式平行 板分束器210内部的1490nm波长的激光，透射自立式平行板分束器210并从 后面倾斜面离开。从自立式平行板分束器210的后面倾斜面离开的1490nm波 长的激光，根据斯涅尔定律，具备与到达自立式平行板分束器210之前的前进 方向相同的前进方向。因此，透射自立式平行板分束器210的1490nm波长的 激光，如图18所示，离开"匚，，字形第一基台300的"匚，，字槽，而因此第 一基台300的槽设置有接收用光电二极管芯片500,从而光纤发射的1490nm波 长的激光，被接收用光电二极管芯片500接收，从而接收传送而来的光信号。 上述接收用光电二极管芯片500,设置于接收用光电二极管芯片基台510,其 设置于第一基台300的"匚"槽的底面。在上述结构中，接收用光电二极管芯 片500设置于自立式平行板分束器210下侧空间，因此可减少底部面积，从而 可在较少大小的TO型封装体外罩内集成发送用激光二极管芯片和接收用光电 二极管芯片。为实现上述功能，需要既为自立式，且相对于底面具有45。的倾 斜角，而且反射或透射激光的前、后面相互平行的超小型自立式平行板分束器。 另外，自立式平行板分束器210的倾斜角，决定从激光二极管芯片IOO发射并 经自立式平行板分束器210的前面倾斜面反射的激光信号，离开TO型封装体 时的前进角度，而离开TO型封装体的激光的离开角度，是决定利用未在图中 标示的透镜聚集至光纤时的聚集效率和制作效率的重要因素，从而保持与TO型封装体接近垂直的角度非常重要，而且从中可知这保持自立式平行板分束器
210接近45°的倾斜角和制作超小型自立式平行板分束器的重要性。
下面，将说明上述本发明实施例超小型自立式平行板分束器的制作方法。 图22及图23为根据本发明实施例，利用半导体硅晶片制作具有波长选择 性的自立式平行板分束器的制作过程概念图。
首先，如图22所示，单晶半导体硅晶片通常的制作方法是，为使{100}面 成为上、下面，从单晶硅锭(Silicon ingot)切割之后，对表面进行研磨制 作而成。将上述{100}面硅晶片的一部分，用作为防蚀刻层的光刻胶(Photo Resist; PR)覆盖之后，用HC1、 K0H等各向异性蚀刻溶液蚀刻光刻月交的开口 部，则蚀刻而成侧面成为{111}面，而在具有钻石结构的硅晶片中，{111}面相 对于{100}面具有54. 74°的倾斜角。即，在具有{100}面方向的单晶硅晶片中， 通过各向异性蚀刻作出{111}面，则所作出的{111}面对作为晶片上、下部面的 {100}面，具有54.74°的倾斜角。
另外，如图23所示，从硅锭切割硅晶片时，若从{100}面呈9. 74°倾斜切 割，则所切割的半导体晶片的上、下面，相对于{100}面倾斜9.74° 。将上述 硅晶片的一部分，用光刻胶覆盖之后，用HC1、 K0H等各向异性蚀刻溶液蚀刻 光刻胶的开口部，则与从硅锭切割晶片的角度无关，蚀刻出的面将成为{111} 面。此{111}面相对于{100}面倾斜54. 74° ,而硅晶片的上、下面相对于{100} 面倾斜9.74° ,因此蚀刻出的{111}面，对晶片的上、下面具有54. 74° +9.74 °和54. 74° -9. 74°的角度，从而成为对于晶片的下面具有45. 00°和64. 48 °的倾斜角的面。
图24为利用图23所示特性的单晶硅晶片制作自立式平行板分束器的制作 过程概念图。
首先，如图24的(a)所示，从半导体硅锭，相对于{001}面倾斜9. 74° 地切割半导体硅晶片之后，将所切割的半导体硅晶片上面的一部分用光刻胶覆 盖；如图24的(b)所示，用光刻法去除需蚀刻的部分的光刻胶；如图24的 (c)所示，将去除光刻胶的部分的半导体硅晶片，用各向异性蚀刻溶液蚀刻， 则半导体硅晶片蚀刻露出侧面将成为{111}面。此时，蚀刻出的{111}面对{001} 面具有54.74°的倾斜角，而因将半导体硅晶片从硅锭切割时，{001}面对水平 面具有9.74°的倾斜角，因此，蚀刻露出的{111}面，对半导体硅晶片的水平 面具有各45. 00°和64. 48°的倾斜角。之后，如图24的(d)所示，在露出对半导体硅晶片的底面各具有45. 00 °和64. 48°倾斜角的2个{111}面的晶片的下部面，将涂覆电介质薄膜，其反 射从设置于模块内的激光二极管芯片IOO发射的激光的波长，而透射从光纤发 射的激光的波长。上述具有波长选择性的电介质薄膜，可交替涂覆相对折射率 不同的不同物质而得，通常是交替涂覆折射率不同的Titanium Oxide (Ti02) 和Silicon Oxide ( Si02 )或Thallium oxide ( T102 ),从而形成具有波长选 择性的电介质薄膜。通过在玻璃基底上交替涂覆不同折射率的不同物质的方法 制作出来的具有波长选择性的过滤器，已在现有结构的双向光通信模块中广发 采用。
之后，如图24的(e)所示，在硅晶片的上部面进行抗反射涂覆，以在从 光纤发射的激光透射硅晶片之后离开硅晶片在空中前进时，防止在硅晶片和空 气的界面发生反射。上述抗反射涂覆，可通过调节上述Ti02/Si02/T102的电 介质层厚度来获得。原有半导体硅晶片的上面和下面，已经研磨形成非常光滑 的平面，因此很容易将电介质薄膜涂覆在其上。
如图24的(f)所示，按一定大小切割如上所制作的半导体硅晶片；则如 图24的(g)所示，制作出45°分束器。将如上述图24的(g)所示的45° 分束器，设置于蚀刻而成U11)面的下面，则如图24的(h)所示，完成自立 式平行板分束器210的制作。
在上述实施例中，用电介质薄膜涂覆硅晶片的上面和下面时，以BiDi为 标准进行了说明，但在下面将要说明的用于具备三工或波长锁定功能的双向通 信DWDM用transceiver的制作过程中，只需用符合各种应用例的电介质薄膜 涂覆硅晶片的上面及下面即可。上述利用半导体蚀刻工艺制作自立式平行板分 束器210的方法，适合于超小型自立式平行板分束器210的制作，但可以利用 其他方法制作自立式平行板分束器210。
另外，切割玻璃或硅基底制作个别光学部件时，是利用厚度薄的锯条切割 3皮璃或石圭基底。上述才支法称之为sawing法，而在sawing时，可通过4夸sawing 角度倾斜为45。，制作自立式平行板分束器。
图25为根据本发明实施例，利用sawing方法制作自立式平行板分束器的 制作过程一例。
首先，如图25的(a)所示，在玻璃或硅基底的两面，根据具备BiDi、三 工、波长锁定功能的双向通信用DWDM模块等，涂覆具备适当透射及反射特征的电介质薄膜。根据sawing方法的本发明，将以BiDi为例进行说明。在作为 本发明一实施例的BiDi的情况下，在平行板的上部涂覆电介质薄膜，其透射 1490nm波长，而反射1310nm波长；而在平行板的下部面涂覆电介质薄膜，对 149 0nm具有抗反射特性。
之后，如图25的(b)所示，将sawing旋转锯条的角度调整为相对于平 行板倾斜45。并切割平行板，则切割所得的面和平行板的上、下面之间的角度 为45。。将上说所制作的基底旋转45°立起，则如图25的(c)所示，挖成 BiDi用自立式平行板分束器210的制作，其反射从激光二极管芯片100发射的 1310nm波长的光，而透射从光纤发射的1490nm波段波长的激光。
图26为根据本发明另一实施例，利用sawing方法制作自立式平行板分束 器的制作方法一例。如图26所示，切割在上、下部面涂覆电介质薄膜的基底 的旋转锯条，具有形成突出部的45°的楔形剖面。因此，若利用具有突出的 45°楔形剖面的旋转锯条垂直切割基底，则基底的剖面具有切割自立式平行板 分束器210的下面和倾斜面的剖面，而如图21所示，将第二基台310和自立 式平行板分束器210紧密固定，则在第二基台310和自立式平行板分束器210 之间形成空间，从而形成可容纳solder或环氧树脂等粘合剂301的空间。
另外，还有蚀刻硅等半导体晶片的干式蚀刻(dry etching)法。干式蚀 刻法为利用可蚀刻硅等的气态蚀刻气体进行蚀刻的方法，尤其是利用等离子 (plasma)的干式蚀刻法，沿等离子移动方向具有优秀的蚀刻方向性。
图27为根据本发明实施例，通过利用等离子的干式蚀刻法制作自立式平 行板分束器的方法一例。
如图27所示，将待蚀刻的晶片倾斜45。设置于为干式蚀刻的蚀刻装置之 后，沿等离子蚀刻方向进行干式蚀刻，则沿虚线部分进行蚀刻，从而制作出如 图23所示的自立式平行板分束器21。
如图25至27所示，利用将平行板的基底倾斜45°切割的方法制作自立式 平行板分束器210的方法，除上述方法之外，还有利用激光切割的方法等各种 方法，而这样的方法也包含于本自立式平行板分束器210的制作范围。
另外，从通过上述如图24所示过程制作而成的半导体硅晶片，分离个别 自立式平行板分束器时，根据所切割的大小的不同，可实现自立式平行板分束 器210的各种形状。
图28为本发明实施例自立式平行板分束器各种形式一例。在如图28所示的自立式平行板分束器的各表面中，①面表示原硅晶片的磨光的下部面；② 面表示原石圭晶片的sawing面；③面表示原硅晶片的蚀刻面；④面表示原硅晶 片的磨光的上面。
根据到达以上述形状所制作而成的自立式平行板分束器210的光的到达位 置，激光将具有各种透射路径，而图29为根据射入本发明实施例自立式平行 板分束器的光的位置的不同而变化的光的路径 一 例。
如图29所示，从自立式平行板分束器210的上部一侧向垂直方向前进的 光，将透射自立式平行板分束器210的前面倾斜面前进到内部，而透射自立式 平行板分束器210的内部的激光，根据到达自立式平行板分束器210的地点的 不同，具有不同前进路径。
如图29所示，射入"L"区域的光，根据斯涅尔定律，对自立式平行板分束 器210前面倾斜面的垂线具有11.7°的角度，而前进至自立式平行板分束器 210的内部。若前进至自立式平行板分束器210内部的光，到达自立式平行板 分束器210的底面，则对自立式平行板分束器210底面垂线，具有33. 3°的射 入角。上述33. 3°的射入角，在假设硅的折射率为3.5，空气的折射率为1时， 为相当于全反射的射入角。因此，射入"L"区域的光，在自立式平行板分束器 210的底面全反射，并到达自立式平行板分束器的②面之后，离开到空气中。
沿垂直方向射入自立式平行板分束器210的"H"区域的光，与自立式平行 板分束器210前面倾斜面的垂线具有45°的射入角。根据斯涅尔定律透射前面 倾斜面前进至内部的光，对前面倾斜面的垂线具有11. 7°的角度。上述光射入 ④面时，对④的垂直具有11. 7°的射入角，此光在空气中具有垂直向下的方向， 并离开至空气中。因此，为使从光纤发射的激光透射自立式平行板分束器210 射入设置于自立式平行板分束器210下部的接收用光电二极管芯片500,激光 需从作为自立式平行板分束器210的④面得后面倾斜面透射。
图30为可使沿垂直向下前进的激光透射自立式平行板分束器之后继续拥 有垂直向下的前进方向的自立式平行板分束器前面倾斜面射入点最少高度一 例。
在图30中，将激光到达自立式平行板分束器210前面倾斜面的地点设为A; 底面和后面倾斜面的交点设为B;从A到后面倾斜面的垂线和后面倾斜面之间 的交点设为C;从A到底面的垂线和底面的交点设为D。线段A-C的长度为相 当于自立式平行板分束器210的厚度的长度。利用半导体工艺制作自立式平行板分束器210时，因晶片的厚度相当于A-C的长度，因此较容易调解或测定此 因素。设此A-C的长度为t。线段A-B的长度，取决于t的长度和在自立式平 行板分束器210的内部激光所具有的前进方向的角度62。 62取决于射入自立 式平行板分束器210的射入角度^和自立式平行板分束器210的折射率n2。
可通过简单的三角函数决定如下数学式。
数学式2
{ x cos 6 2= t
数学式3
《=t / cos e 数学式4
h =《x cos (45Q _ 62) = t x cos (45。 - 62) / cos 6 2 若假设空气中的折射率为1，则根据斯涅尔定律，02取决于如下数学式5。数学式5
6 2二arcsin(ri2xsin6〃 n2)
因此，为使垂直向下前进的激光，透射自立式平行板分束器210的前面倾 斜面之后，重新使其垂直向下前进，激光所要到达的自立式平行板分束器210 的高度，至少要高于数学式4和数学式5中所决定的高度h。
本发明的主要思想是设置自立式平行板分束器210;将边缘发射型激光二 极管芯片100，以与自立式平行板分束器210的前面倾斜面相邻的状态，水平 设置于底面；而将接收用光电二极管芯片500设置于自立式平行板分束器210 的下侧。现有技术中，曾提出各种模块的组装方法，其利用使从激光二极管芯 片100发射的激光，经前面倾斜面反射改变前进方向，而接收用激光直接透射 前面倾斜面的方法。但如在背景技术中所说明的一样，上述方法中分束器的制 作复杂，为光对齐的组装较难，且制作费用较高。相反，本发明为解决上述问 题，使容易制作分束器的同时，使为光对齐的组装变得容易。
图31为上述图17和图18所示BiDi单元的详细组装顺序图。如图31所 示，在第一基台300的一侧内部，形成可插入接收用光电二极管芯片500的"匚" 字槽，而此第一基台300可利用硅制作而成，其价格低廉，可利用干式或湿式 蚀刻工艺容易制作"匚"字形状。此时，具有{110}面方向的硅晶片适合于其 一侧形成"匚"字槽的硅基底，这是因为通过K0H、 HC1等的各向异性蚀刻所得的蚀刻剖面{111}面，与{110}垂直，从而可使"匚，，字槽的壁面与底面垂直。 在上述"匚，，字形状的第一基台300的上部，将设置作为波长选择性反射
/透射镜子的自立式平行板分束器210,而此自立式平行板分束器210底面的一 部分，将设置于"匚"字槽内。另外，在第一基台300的上部另一侧，设置在 其上部附着激光二极管芯片IOO的第二基台310,此时，第二基台310和自立 式平行板分束器210的前面倾斜面相吻合设置。第二基台310,可利用与自立 式平行板分束器210相同的制作方法制作而成，只是在自立式平行板分束器210 的制作方法中，去掉为波长选择的表面电介质涂覆过程。之后，向第一基台300 的"匚，，字槽，插入结合在其上附着接收用光电二极管芯片500的接收用光电 二极管基台510。
图32及图33为通常光电二极管芯片的结构图。通常而言，如图32所示， 光电二极管芯片是利用半导体晶片制作而成，其在具有负的掺杂特性的n-InP 基底820上，使作为光吸收层的厚度1000nm的undoped-InGaAs层830,以晶 格匹配的状态下成长；在undoped-InGaAs层830上，使厚度100nm左右的 undoped-InP层840和厚度1. 5 p m左右的具有正掺杂特性的p-InP层850成长； 使厚度300nm左右的p-InGaAs层860通过MOCVD ( metal organicvapor phase epitaxy)或LPE (liquid phase epitaxy)或MBE (Molecular beamepitaxy) 或HVPE (Hydride vapor phase epitaxy)等方法成长。之后，在基底上，蚀 刻除光的吸收区域之外的p-InGaAs层860及p-InP层850,作为光吸收区域。 在未^^虫刻的光吸)R区i或的p—InGaAs层860上，利用Titanium—platinum—gold 的合金，形成p-ohmic contact层870,去除未被metal覆盖的光吸收区域的 p-InGaAs层860之后，在n-InP基底820 —侧涂覆n-型ohmic contact用金 属810,完成光电二极管芯片的制作。如图33所示，除上述方式的光电二极管 芯片之外，还有在芯片的一侧方向同时形成p-型电极和n-型电极的方法。
作为本发明重要应用例之一的BiDi型模块，在一个TO型封装体内，同时 内置激光二极管芯片接收用光电二极管芯片，从而可通过一个TO型封装体完 成双向通信，而在此BiDi型模块中，因发送用激光二极管芯片和接收用光电 二极管芯片，同时内置于一个封装体内，因此需发送的激光中的一部分直接射 入接收用光电二极管，有可能导致串扰(cross-talk)现象。为了最大限度地 减少上述串扰现象，在与光学二极管芯片相邻的地方设置光学过滤器，其透射 所要接收的波长的激光，而反射需发送的波长的激光。如图33所示，若在芯片的同一侧具有p-型电极和n-型电极，广泛采用在形成传递电信号的电极的 基底上，翻转附着光电二极管芯片，而其利用金属球将基底的p-型电极和n-型电极，电连接至光电二极管芯片的p-型电极和n-型电极的方法。上述方法 称之为倒装焊接(flip chip bonding)。在倒装焊接中，因光电二极管芯片 的基底一侧面，不起到任何电气作用，因此可在光电二极管芯片的基底一侧表 面上进^H壬何形式的加工。
图34为在传递电信号的基板上倒装焊接光电二极管芯片的状态一例。在 上述方法中，InP基底的带隙能为1. 35eV,因此能量为0. 95eV左右的1310nm 波长的光和能量为0. 80eV左右的1550nm波长的光，不被InP基底吸收而^皮透 射，从而被带隙能为0. 75eV左右的InGaAs的光吸收区域吸收，并将光信号转 换为电信号。因此，光信号以自上而下的方向前进时，无论光电二极管芯片的 p-侧面向上升或n-型基底向上升，光信号都转换成电信号。在作为本发明重要 应用例的双向通信用BiDi型模块中，由光纤传送，而需有接收用光电二极管 芯片接收的波长的光为1490nm或1550nm波长的光，但在双向通信用BiDi型 模块内部，内置可发射用于传送上行光信号的1310nm波长激光的半导体激光 二极管芯片。通常而言，较之经长距离光纤传递的接收光信号，由双向通信用 BiDi模块所发射的激光强度，至少强100倍。光电二极管芯片的InGaAs吸收 区域，不仅对1490nm及1550nm波长的激光作出反应，也对1310nm波长的激 光作出反应，因此，从内置于双向通信用BiDi模块内的激光二极管芯片发射 的1310nm波长的激光，射入接收用光电二极管芯片，则将产生接收信号和发 送信号混合在一起的串扰(cross-talk)现象。因此，需要一种允许光纤所传 递的波长的光射入，但防止从内置于双向通信用BiDi模块内的激光二极管芯 片发射的光射入接收用光电二极管芯片的方法。
在图34中，波长选择性过滤器，可通过交替涂覆折射率相对较高/低的Si、 Si02、 Ti02电介质薄膜制作而成。利用电介质薄膜的波长选择性过滤器，具有 其波长选择性随光的射入角度变化的特性。因此，若有以非接收光射入角的角 度射入波长选择性过滤器的光，则波长选择性过滤器对其波长选择的性能将有 所下降。上述问题可通过如下方法解决，即除光电二极管芯片InGaAs光吸收 区域的相反一侧n-型基底部位之外，将其余n-型基底用对所有波长具有反射 性的金属材料覆盖。Au、 Al、 Ag及Cu等一般的金属，都吸收或反射所有波长 的光，因此，可在双向通信用模块内部，最大限度地减少失去方向的杂散光(stray light )射入光电二极管芯片的活性区域。另外，在电二极管芯片的n-型基底一侧，利用金属薄膜表示InGaAs吸收区域的位置，有助于在组装双向 通信用BiDi时，作为光对齐光电二极管芯片时的标准点，提高BiDi组装的便 利性。
另外，BiDi模块内的杂散光(stray light),不仅通过光电二极管芯片 的n-型基底面，还可通过光电二极管芯片的侧面、光电二极管芯片和光电二极 管芯片下侧电极连接用基底之间的空间，射入光电二极管芯片的活性区域。图 35为杂散光进入光电二极管芯片活动区域一例；图36为根据本发明实施例， 减少杂散光所产生的噪音成分一例。如图36所示，将接收用光电二极管芯片 的側面，用对所能考虑到的所有光不透明，而且电学上具有绝缘体特性的高分 子(polymer )物质填充，从而阻断射入的噪音成分。具备上述特性的高分子 物质有，包含光吸收染色体的poly ethylene ( PE ) 、 poly propylene ( PP ) 及epoxy等。
本发明自立式平行板分束器可应用于各种模块，另一重要应用例有，利用 从激光二极管芯片前面发射的激光监控激光二极管的工作状态的，具备前面监 控功能的TO型激光二极管封装体。边缘发射型的激光二极管芯片，从激光二 极管芯片的两边缘发射光，而且根据调节各边缘反射率的反射率调节涂层，将 光的发射较强的 一 面称之为激光二极管芯片的前面，而将光的发射较弱的 一面 称之为激光二极管芯片的后面。通常，半导体激光二极管芯片的前面反射率为 1~30 /。左右，而后面反射率为30~99%左右。在上述芯片两面反射率比率中， 从激光二极管芯片的后面发射的激光的强度，与从激光二极管芯片的前面发射 的光的强度成线形比例。但在reflective semiconductor optical amplifier (RS0A)中，芯片前面的反射率为1%以下，通常具有0. 01°/。以下的反射率。与 此相反，RSOA的后面具有30~ 99%左右的反射率。若激光二极管芯片前面的反 射率和后面的反射率相差悬殊的时候，从激光二极管芯片的前/后面发射的激 光的强度比率，随注入激光二极管的电流的量改变。因此，在如RS0A等半导 体激光二极管芯片中，不能利用从激光二极管芯片的后面发射的光，监控从激 光二极管芯片的前面发射的激光的强度。因此，当前采用一种方法，在TO型 封装体的外部，将从激光二极管芯片的前面发射并经透镜聚集在光纤的激光分 为2个路径，从而将其中的一个路径用于外部信号传送，而利用其余一个路径 的激光，监控RSOA的工作状态。但是，这样的方法体积较大，需要高价的光分配，需要单独的TO型监控光电二极管芯片，因此其成本太高。
图37为本发明实施例激光半导体二极管芯片前面监控功能概念图；图38 为内置上述图37所示前面检测用光电二极管芯片的TO型封装体结构图。
应用于图37和图38中的自立式平行板分束器220,是在图24至图27中 所说明的自立式平行板分束器制作过程中，在向激光二极管芯片IOO—侧的前 面倾斜面涂覆电介质薄膜，其具有将从激光二极管芯片IOO的前面发射的光的 一部分透射， 一部分反射的部分反射镜(partial mirror )特性。另外，在自 立式平行板分束器220的后面倾斜面涂覆电介质薄膜，其对透射自立式平行板 分束器220的光具有抗反射(anti reflection)的特性。在自立式平行板分 束器220的后面倾斜面侧面，在前面监控用光电二极管芯片基台460上，设置 有前面监控用光电二极管芯片450，其利用透射自立式平行板分束器220的激 光，监控激光二极管芯片IOO的工作状态。在本实施例中，若向自立式平行板 分束器22 0的激光二极管芯片100 —侧的前面倾斜面反射率过低，则降低需传 送至T0封装体外面的信号强度，而若反射率过高，则需射入监控用光电二极 管芯片450的信号光强度变得太弱，因此，自立式平行板分束器220前面倾斜 面的反射率，较佳为80~97%,更佳为85~95°/。。图37和图38中，透射自立 式平行板分束器220的激光的路径，已在图15中作了详细说明。
在图9中，曾对利用一条光纤传送1310nm波段波长的发送用光信号和 14 9 Onm波段波长及155 0波段波长的接收用光信号所需的三工模块进行过说明。 若使用本发明自立式平行板分束器，可制作出将三工模块内置于一个封装体的 one body TO型三工才莫块。
图39为根据本发明实施例，在一个封装体内内置所有三工功能的三工模 块结构图。
在本发明实施例的三工模块说明中，假设从内置于封装体的激光二极管芯 片100发射的激光的波长为1310nm波段；而从光纤传送的接收用信号光波长 为1490nm波段及1550nm波段。如图39所示，向激光二极管芯片100—侧的 自立式平行板分束器2 30的前面倾斜面，对1310nm进行了抗反射(anti reflection )透射涂覆；而对149 Onm进行了高反射(high reflect ion )涂覆。 向未在图中标示的光纤的自立式平行板分束器230的后面倾斜面，对1310nm 波段和1490nm波长进行了抗反射透射涂覆；而对1550nm波长进行了高反射涂 覆。若使用上述结构的自立式平行板分束器230，从激光二极管芯片100发射的1310nm波长的激光，因自立式平行板分束器2 30的两面都对1310nm进行了 抗反射涂覆，因此透射自立式平行板分束器230前进至未在图中标示的光纤。 从未在图中标示的光纤发射的1550nra波长的激光，经自立式平行板分束器230 的后面倾斜面反射，射入垂直下方的1550nm波段接收用光电二极管芯片502， 从而产生光电流信号。对透射自立式平行板分束器230的后面倾斜面，并经前 面倾斜面反射的1490nm的光路径，已在图16中进行了详细说明。如在图16 中的说明，从光纤发射的1490nm波长的激光，透射自立式平行板分束器230 的后面倾斜面之后，经前面倾斜面反射重新到达自立式平行板分束器230的后 面倾斜面之后，射入位于垂直下方的149 Onm波段的接收用光电二极管芯片5 01 。
在透射自立式平行板分束器230的后面倾斜面之后，经前面倾斜面反射重 新到达自立式平行板分束器230的后面倾斜面的光的路径中，经自立式平行板 分束器230的前面倾斜面反射前进至后面倾斜面的光的路径，与图15中从垂 直方向射入分束器并透射分束器的光的路径相同。因此，透射自立式平行板分 束器230的后面倾斜面之后，经前面倾斜面反射的光，不射入自立式平行板分 束器230的底面所需前面倾斜面中最少高度，至少要高于数学式4和数学式5 中所决定的高度h。此高度h与从激光二极管芯片IOO发射的光到达自立式平 行板分束器230的地点相同，因此，在使用自立式平行板分束器230的三工模 块中，从所内置的激光二极管芯片IOO发射并到达自立式平行板分束器230的 光的最少高度为数学式4和数学式5中所决定的高度h。
如上所述，在利用折射率相对高/低的电介质薄膜制作而成的波长选择性
度。因此，为了在波长选择性分束器中较容易分离1490nm波段光和1550nm波 段的光，射入波长选择性分束器的所有光的成分，具有西安铁通射入角度为宜。 因此，在如39中，设置于激光二极管芯片100和自立式平行板分束器230之 间的透镜700的作用是，将在激光二极管芯片100中具有发散特性的激光转换 为平行光。为使这样转换为平行光的激光聚集于光纤，需在激光二极管芯片100 和光线之间，还设置一个未在图中标示的透镜。光在路径上具有可逆性，因此， 从激光二极管芯片100发射并经透镜700转换为平行光之后，在通过未在图中 标示的透镜聚集在光纤的结构中，从光纤发射的激光，经光纤和相邻的未在图 中标示的透镜转换为平行光。因此，当从光纤发射的1490nm波段和1550mn波 段波长的光，到达自立式平行板分束器230的各面时，将具有平行光的特性。因此，容易分离以平行光射入波长选择性分束器的1490nm波段和1550nm波段 波长的光。
虽然在图39中使用一个自立式平行板分束器，而最终前进至封装体外部 的光的方向与封装体的底面平行。能够最好地实现上述特性的封装方法为，通 常的迷你(mini-dil )或微型扁平(mini-flat )或蝶式(butterfly)封装体。 但是，TO型封装体的外罩(housing )制作费用通常为0. 1 ~ 0. 5 US dollar左 右，较为低廉，但上述迷你、微型扁平或蝶式封装体外罩的制作费用达到数US dollar至数十US dollar,因此价格差异较大，因此，需要用低价TO型封装 体外罩制作具有三工功能的TO型封装体的技术。
将三工功能应用于TO型封装体的实施例表示在图40中，图40为根据本 发明实施例，应用2个自立式平行板分束器的TO型封装体一例，是将第二自 立式平行板分束器270设置于第一自立式平行板分束器230,可实现T0型三工 功能。此时，第二自立式平行板分束器270,虽然称之为分束器，但实际上对 所有波长具有反射特性。为对所有波长的光具有反射特性，第二自立式平行板 分束器270的前面倾斜面，用Au、 Al、 Ag及Cu等金属涂覆为宜。
另外，可用2个自立式平行板分束器实现图39的功能。图41为根据本发 明实施例，利用2个自立式平行板分束器实现图39的功能的三工模块结构图。
如图41所示，本发明双向通信用三工光模块封装体，在第一基台300上 部一侧，设置激光二极管芯片用第二基台310,而在此第二基台310上部，设 置激光二极管芯片100。另外，在第一基台300上部一侧，设置透镜700,以 将从激光二极管芯片IOO发射的发送用1310nm波段激光转换为水平光，而在 透明700侧面的第一基台300上部，设置1490波段波长用自立式平行板分束 器231。
此1490nm波段波长用的自立式平行板分束器231,在向激光二极管芯片 100—侧的前面倾斜面，对1310nm进行了抗反射涂覆，而在后面倾斜面，交替 涂覆折射率相对高/低的两种以上电介质薄膜，从而具有对1310nm波长抗反射， 而对1490nm反射的特性。在此1490nm波段波常用的自立式平行板分束器231 的下部，设置对1490nm波长产生反应的1490nm波段波长接收用光电二极管芯 片501，而此1490iim波段波长接收用光电二极管芯片501,设置于1490nm波 段波长接收用基台511上部。
另外，在上述1490nm波段波长用的自立式平行板分束器231侧面的第一基台上部，设置1550nm波段波长用自立式平行板分束器232,在1550nm波段波长用自立式平行板分束器232的向激光二极管芯片IOO—侧的前面倾斜面，为不反射1310nm及1490nm波长而进行抗反射涂覆，而后面倾斜面涂覆多层的电介质薄膜，其对1310nm及1490nm波长抗反射，而对1550nm波长产生反射。在此1550nm波段波长用自立式平行板分束器232的下部，设置对1550nm波长产生反应的1550nm波段波长用光电二极管芯片502,而此1550nm波段波长用光电二极管芯片502,设置于1550nm波段波长用基台512上部。
从激光二极管芯片IOO发射的1310認激光，透射对1310nm波长进行抗反射涂覆的1490認波段波长用自立式平行板分束器231及1550nm波段波长用自立式平行板分束器232，传送至未在图中标示的光纤。另外，射入光纤的1490nm激光，透射对1490nm波长进行抗反射涂覆的1550nm波段波长用自立式平行板分束器232后，经对1490nm波长进行反射涂覆的1490nm波段波长用自立式平行板分束器231的光纤一侧后面倾斜面反射，传送至下部的1490nm波段波长用光电二极管芯片501。另外，射入光纤的1550nm激光，经对1550nm波长进行发射涂覆的155 0nm波段波长用自立式平行板分束器2 32的后面倾斜面反射，传送至下部的155 0nm波^:波长用光电二才及管芯片502。
在上述图41中，上述利用2个自立式平行板分束器的双向通信用三工光模块封装体，如图40中的说明，在1550nm波段波长用自立式平行板分束器232的一侧，设置另一反射用自立式平行板分束器，从而实现TO型封装体外罩。
在作为本发明一实施例的三工封装体，在本发明的说明中，举例说明了用一个TO型封装体或迷你或微型扁平或蝶式封装体实现的方法，但根据本发明的另一实施例，组合内置于一个TO型封装体内的BiDi光模块和另一 TO型光电二;f及管封装体，也可以如图1所示的现有2个TO型BiDi封装体形式，实现三工封装体。
图42为以现有2T0型BiDi模块形式制作而成的本发明实施例三工模块一例。图42所示的三工模块，在图1所示的TO型激光二极管模块位置，设置利用自立式平行板分束器具备1310nm波长和1490nm波长的BiDi功能的TO型BiDi模块10，而在现有TO型光接收元件位置上，设置1550nm波长接收用TO型光电二极管模块550。此时，用于现有BiDi模块的分束器250,具有反射1550nm波长，而透射1490nm波长及1310mn波长的特性。通过上述结构，利用现有BiDi形式的模块实现三工模块的功能。
图43为本发明一实施例具有波长锁定功能和双向通信功能的T0型激光二极管封装体结构图。
如图43所示，具有波长锁定功能和双向通信功能的TO型激光二极管封装体，在TO型stem basell上部，设置热电元件14，而在此热电元件14上部，设置可进行双向光通信，且具有波长锁定功能的光绪部件单元(下称"双向波长锁定单元")20。在设置双向波长锁定单元20的stem basell上部，通过点焊接的方法附着具有透镜17的金属盖(cap) 112，完成TO型封装体外罩的制作。另外，在上述stem basell上，形成上下贯通的多个贯通孔，在上述贯通孔各设置电极针15之后，利用玻璃珠16进行密封。
图44为本发明实施例双向波长锁定单元结构图。
如图44所示，在第一基台300上部，用以监控从激光二极管芯片100后面发射的激光的后面监控用光电二极管芯片400，附着于后面监控用光电二极管基台410。
另外，在第一基台IOO上部的另一侧，设置自立式平行板分束器240,而此自立式平行板分束器240，经前面倾斜面反射从激光二极管芯片IOO前面发射的激光的一部分，通过自立式平行板分束器240上部的未在图中标示的透镜，传递至TO型封装体外部的光纤，达到信息传送的目的。与此同时，此自立式平行板分束器240,透射从激光二极管芯片100的前面发射的激光另一部分，传递至作为具有较窄透射线宽的波长选择性过滤器的窄线宽过滤器710。此自立式平行板分束器240,还透射从上部的光纤传递的光，传递至设置于自立式平行板分束器240下部的接收用光电二极管芯片500。
在上述自立式平行板分束器240的侧面，设置与自立式平行板分束器240的前面倾斜面相吻合的第二基台310,而在第二基台310的上部一侧，设置其上附着激光二极管芯片100的第三基台320，另外，在上述第二基台310的上部一侧，设置透镜700,以将从激光二极管芯片100以较宽角度发散的激光转才奐为平4亍光。
在上述第一基台300侧面，设置只选择性地透射窄波长波段的窄线宽过滤器710,而在窄线宽过滤器710后面，用以监控从激光二极管芯片IOO发射之后通过窄线宽过滤器710的激光的前面监控用光电二极管芯片450,附着于前面监控用光电二极管基台460。在上述图44中，从激光二极管芯片100的前面管芯片100前面的透镜700转换为平行光，因此，将透镜之后的激光用一条线表示。
为帮助理解，在本实施例的说明中，将从激光二极管芯片IOO所发射的激光的波长，在常温(room temperature )中假设为1550nm,而将从未在图中标示的光纤传送而来的激光的波长，假设为1310nm。上述对波长的设置，只是为说明的便利，其他波长组合也当然可以应用于本发明。
设置于上述激光二极管芯片100后面的后面监控用光电二极管芯片400,主要是在石岸化铟(Indium Phosphide;下称"InP")半导体基底上，使砷化铟镓(Indium Gallium Arsnide;下称"InGaAs")半导体层结晶成长而成，而在InP中晶格匹配的InGaAs的带隙能(band gap energy)常温下大约为0. 75eV(electron volt),吸收1000 ~ 1700nm波长的光能转换为电流。作为光吸收层的InGaAs层，根据所射入的波长改变光电(optical-electical )转换效率，但在1000 ~ 1700nm的波段，表现出较为稳定的光电转换效率。作为本发明对象的具有波长锁定功能的光学模块的主要应用部分为DWDM,因此，为DWDM的激光二极管芯片的波长移位宽度约在数nm范围之内，从而上述后面监控用光电二极管芯片400对数nm波长移位具有一定的光电转换效率。因此，上述后面监控用光电二极管芯片400不受激光二极管芯片IOO波长变化的影响，检测与从激光二极管芯片IOO发射的能量成比例的光电流。在从上述激光二极管芯片100的前面发射的激光中，既定比率的能量经自立式平行板分束器240反射，通过封装体上部的透镜聚集至外部的光纤，起到传送信号的作用。从激光二极管芯片100的前面发射的能量的一部分，透射自立式平行板分束器240,从自立式平行牙反分束器240的后面倾斜面离开。
在上述自立式平行板分束器240的后面倾斜面侧面，设置窄线宽过滤器710,而图45为显示窄线宽过滤器很窄的透射线宽特性的曲线图。上述窄线宽过滤器710,可在对所考虑的光的吸收较少的物质上，涂覆多层电介质薄膜制作而成。因所考虑的光的能量为1000 ~ 1700nm左右的近红外线区域，因此，对此波段吸收率低的玻璃或硅等可称为债线宽过滤器的材料。另外，窄线宽过滤器710，还可釆用标准具过滤器(etalon filter)。如图45所示，窄线宽过滤器710对0. 13nm的波长变化，也表现出急剧的透射率变化。因此，从激光二极管芯片IOO的前面发射，透射自立式平行板分束器240，从后面倾斜面离开的激光中，对应于窄线宽过滤器710透射率左右的光能透射窄线宽过滤器710,射入设置于窄线宽过滤器后面的前面监控用光电二极管芯片450,转换为 光电流。因此，将激光二极管芯片100的发射波长，对准于图45中设定为 locking (锁定)波长的波长时，若激光二极管芯片100的发射波长向长波长 移动，则因窄线宽过滤器710的透射率急剧增加，前面监控用光电二极管芯片 450所生成的光电流急剧增加；而若激光二极管芯片IOO的发射波长向短波长 移动，则因窄线宽过滤器710的透射率急剧减少，前面监控用光电二极管芯片 450所生成的光电流也急剧减少，从而可了解发送波长的变化程度和变化方向。 通常，若激光二极管芯片100的驱动温度上升，则激光二极管芯片100的发射 波长向长波长移动，因此，若因非所希望的原因导致激光二极管芯片100的发 射波长向长波长移动，则驱动内置热电元件14降低激光二极管芯片100的温 度，从而抵消激光二极管芯片100的发射波长移动。同样，若因非所希望的原 因导致激光二极管芯片100的发射波长向短波长移动，则驱动内置热电元件14 提高激光二极管芯片100的温度，从而抵消激光二极管芯片100的发射波长移 动。从光纤传送而来的1310nm波段波长的下行光信号，透射自立式平行板分 束器240,射入设置于自立式平行板分束器240下部的接收用光电二极管芯片 500,完成下行光信号的接收。
在图44所示的模块中，若除去自立式平行板分束器240下部的接收用光 电二极管芯片500，则会成为只具有波长锁定功能的TO型光发送器。图46为 无自立式平行板分束器下部的接收用光电二极管芯片，而只具有波长锁定功能 的模块的设置平面图。如前所述，这样的形式，使当前通过蝶式封装体实现的 现有具备波长锁定功能的DWDM用光源，较之图10所示的直交形式的监控用光 电二极管芯片的设置，具有直线形式的排列，从而在更窄的底面面积实现波长 锁定功能，而且，较之直交形式的光电二极管芯片，只需在直线上进行光对齐， 其组装变得简单，解决成本。
在本发明色说明中，只说明了几种激光的波长，但也可利用各种波长的组 合,实现本发明实施例。
另外，在本发明多个实施例中，可增加底座(base)基台，其上可同时附 着第一基台、接收用光电二极管S的基台和窄线宽过滤器及前/后面光电二极 管芯片等多个部件。此时，若使用在底座基台上组装所有部件后，再将其附着 于TO型封装体外罩或微型扁平外罩等封装体底面的方法，则可简化组装过程， 容易调节激光而激光芯片等的高度。激光二极管芯片等的高度调节为非常重要的因素，但因激光二极管芯片的 高度受自立式平行板分束器的大小及自立式平行板分束器和接收用光电二极 管芯片间距等的限制，很难单独调节激光二极管芯片的高度。因此，若在第一 基台下设置底座基台，则可通过调节底座基台的高度调节整体单元的高度，从 而在不破坏激光二极管芯片和自立式平行板分束器及接收用光电二极管芯片 光对齐的条件下，调节激光二极管高度。
工业实用性
本发明自立式平行板分束器，容易制作，而且可设置于各种形式的激光 二极管封装体内使用。尤其是，利用本发明自立式平行板分束器，容易实现可 进行双向通信的激光二极管封装体、具有三工功能的激光二极管封装体、具有 波长锁定功能的激光二极管封装体及具备前面监控功能的激光二极管封装体， 其利用从激光二极管芯片的前面发射的激光的一部分监控激光二极管芯片的 工作状态。
权利要求
1、一种自立式平行板分束器，在根据所射入的光的波长反射或透射光，从而完成分离光的功能的分束器(beam splitter)中，其特征在于形成于基底两面的前面倾斜面及后面倾斜面与底面形成45°角，且当基底底面附着于具有平整底面的基台的上面，则前面倾斜面和后面倾斜面，与基台上面形成45°的倾斜角；在上述前面倾斜面及后面倾斜面涂覆电介质薄膜或金属薄膜，其对特定波长的光具有已设比率的透射率或反射率。
2、 根据权利要求1所述的一种自立式平行板分束器，其特征在于在上 述自立式平行板分束器的前面倾斜面和底面之间，形成切割前面倾斜面和底面 的一部分的切割面。
3、 一种制作权利要求1所述的(a )从硅锭切割硅晶片，其与{100}面倾斜9. 74° ,之后用光刻胶涂覆此 硅晶片上面的 一 部分的步骤；(b )用光刻法去除上述硅晶片上需蚀刻部分的光刻胶的步骤；(c) 用各向异性蚀刻溶液蚀刻去除光刻胶的部分，而暴露面形成与{100} 面形成54. 74°的倾斜角的{111}面的步骤；(d) 在硅晶片下面涂覆电介质薄膜或金属薄膜，使其根据所射入的光的波 长具有已设比率的透射率或反射率的步骤；(e) 在包括上述{111}面的硅晶片上面涂覆电介质薄膜或金属薄膜，使其 根据所射入的光的波长具有已设比率的透射率或反射率的步骤；(f) 切割上述硅晶片，完成自立式平行板分束器制作的步骤。
4、 一种制作权利要求l所述的(a) 在硅或玻璃平行板一面涂覆电介质薄膜或金属薄膜，使其根据所射入 的光的波长具有已设比率的透射率或反射率的步骤；(b) 在硅或玻璃平行板另一面涂覆电介质薄膜或金属薄膜，使其根据所射(c) 以对上述平行板的剖面形成45°角度的，态，sawing上述平行板， 从而完成自立式平行板分束器制作的步骤。
5、 根据权利要求4所述的一种自立式分束器制作方法，其特征在于在sawing上述平行板的(c)步骤中，利用在其剖面具备突出部的45°楔形旋转 锯条对上述平行板进行sawing,则在下面和倾斜面之间形成切割下面和倾斜面 的切割面。
6、 根据权利要求4所述的一种自立式分束器制作方法，其特征在于在 sawing上述平行板的(c)步骤中，上述平行板利用干式蚀刻(dry etching) 或激光(laser )进行sawing。
7、 一种利用自立式平行板分束器的激光二极管封装体结构，在一个封装 体外罩内置权利要求1所述的自立式平行板分束器和激光二极管芯片及接收用 光电二极管芯片的双向通信用激光二极管封装体中，其特征在于用单层电介 质薄膜或具有不同折射率的多层电介质薄膜涂覆上述自立式平行板分束器的 前面倾斜面，其反射从激光二极管芯片发射的波长的激光，前进至封装体外部 的光纤，而透射从封装体外部的光纤射入的波长的激光，传递至接收用光电二 极管芯片。
8、 一种利用自立式平行板分束器的激光二极管封装体结构，在权利要求1 所述的自立式平行板分束器的前面倾斜面一侧设置激光二极管芯片，而在后面 倾斜面另一侧设置监控用光接收元件的TO型激光二极管封装体中，其特征在 于用单层电介质薄膜或具有不同折射率的多层电介质薄膜涂覆上述自立式 平行板分束器的前面倾斜面，其反射从激光二极管芯片的前面发射的激光的一 部分，前进至封装体外部；使未被上述前面倾斜面反射的剩余激光，透射上述前面倾斜面并通过后面 倾斜面照射至监控用光电二极管芯片，从而利用从激光二极管芯片的前面发射 的激光的一部分，监控激光二极管的工作状态。
9、 一种利用自立式平行板分束器的激光二极管封装体结构，在一个封装 体外罩内置权利要求1所述的自立式平行板分束器和激光二极管芯片及2个接 收用光电二极管芯片的双向通信用三工激光二极管封装体中，其特征在于在 上述自立式平行板分束器的侧面，设置向前面倾斜面发射激光的激光二极管芯 片，而在上述自立式平行板分束器的后面倾斜面下部，设置接收用光电二极管 芯片，其接收通过后面倾斜面从光纤射入的1490nm波段信号用波长的激光， 及接收用光电二极管芯片，其1550mn波段信号用波长的激光。
10、 根据权利要求9所述的一种利用自立式平行板分束器的激光二极管封装体结构，其特征在于上述自立式平行板分束器的前面倾斜面，透射1310nm 波段波长的激光，而反射1490nm波段波长的激光；而上述自立式平行板分束 器后面倾斜面，透射131 Onm波段波长及149Onm波，险波长的激光，而反射155Onm 波段波长的激光。
11、 一种利用自立式平行板分束器的激光二极管封装体结构，在一个封装 体外罩内置2个权利要求1所述的自立式平行板分束器和激光二极管芯片及2 个接收用光电二极管芯片的双向通信用三工激光二极管封装体中，其特征在 于直线排列1490nm波段波长用自立式平行板分束器，其设置于上述激光二 极管芯片的侧面，透射从激光二极管芯片发射的波长的激光，而向下反射从光 纤射入的1490nm波段信号用波长的激光；及1550nm波段波长用自立式平行板 分束器，其透射从上述激光二极管芯片发射的波长的激光和从外部光纤射入的 1490nm波段波长的激光，而向下反射1550nm波段波长的激光；在上述1490nm波段波长用自立式平行板分束器下部，设置用于检测W90nra 波段波长激光的l490nm波段接收用光电二极管芯片，而在上述1550nm波段波 长用自立式平行板分束器下部，设置用于检测1550nm波l殳波长激光的1550nm 波段接收用光电二极管芯片。
12、 根据权利要求11所述的一种利用自立式平行板分束器的激光二极管 封装体结构，其特征在于上述1490nm波段波长用自立式平行板分束器，用折射率相对高/低的多层 电介质薄膜交替进行涂覆，其前面倾斜面透射1310nm波段波长，但后面倾斜 面透射1310nm波段波长，而反射1490nm波段波长；上述1550nm波段波长用自立式平行板分束器，用折射率相对高/低的多层 电介质薄膜交替进行涂覆，其前面倾斜面透射1310nm波段波长及1490nm波段 波长，后面倾斜面透射1310nm波段波长及1490nm波段波长，而反射1550nm 波段波长。
13、 根据权利要求9或11所述的一种利用自立式平行板分束器的激光二 极管封装体结构，其特征在于在上述自立式平行板分束器的侧面，还设置反 射用自立式平行板分束器，其将从自立式平行板分束器传递的激光，经前面倾 斜面反射，传递至上部的光纤，而将从光纤传递的激光，经前面倾斜面反射， 传递至自立式平行板分束器。
14、 一种利用自立式平行板分束器的激光二极管封装体结构，在将2个TO 型光学模块呈直角排列，且在2个TO型光学模块的光轴的交点设置分束器的 双向通信用三工激光二极管封装体中，其特征在于上述2个TO型光学模块中的一个TO型光学模块为接收1550nm波长的接 收用TO型光学模块，另一个T0型光学模块为权利要求7所述的双向通信用激 光二极管封装体，由发送1310nni波长的激光，而接收H90nni波长的激光的双 向通信功能的TO型光学模块构成；设置于上述2个TO型光学模块的光轴交点的分束器，反射1550nm波长的 激光，而透射1490nm波长及1310nm波长的激光。
15、 一种利用自立式平行板分束器的激光二极管封装体结构，在具备权利 要求1所述的自立式平行板分束器的具备双向通信功能的激光二极管封装体 中，其特征在于直线排列如下部件实现波长锁定功能，包括激光二极管芯 片，发射激光；后面监控用光电二极管芯片，检测从上述激光二极管芯片的后 面发射的激光；自立式平行板分束器，其形成对上述激光二极管芯片的前面发 射的激光具有部分反射，部分透射功能的前面倾斜面；窄线宽过滤器，在透射 上述自立式平行板分束器的激光中，选择透射窄波长波段；监控用光电二极管 芯片，检测透射上述窄线宽过滤器的激光。
16、 根据权利要求15所述的一种利用自立式平行板分束器的激光二极管 封装体结构，其特征在于上述自立式平行板分束器的前面倾斜面，对从上部 的光纤发射而来的激光具有透射特性，而在上述自立式平行板分束器的下部， 设置接收用光电二极管芯片，其接收从上述光纤发射，而透射上述自立式平行 板分束器而来的光信号。
17、 根据权利要求15或16所述的一种利用自立式平行板分束器的激光二 极管封装体结构，其特征在于上述后面监控用光电二极管芯片、激光二极管 芯片、自立式平行板分束器、窄线宽过滤器及前面监控用光电二极管芯片，设 置于热电元件上部。
18、 根据权利要求7、 9、 11及16所述的任意一种利用自立式平行板分束 器的激光二极管封装体结构，其特征在于在上述激光二极管封装体中，还包 括可放大通过上述接收用光电二极管芯片接收的光信号的前置放大器。
19、 根据权利要求7、 8、 9、 11及15所述的任意一种利用自立式平行板 分束器的激光二极管封装体结构，其特征在于上述激光二极管封装体中，还包括可将从上述激光二极管芯片发射的激光转换为平行光的透镜。
20、 根据权利要求7、 8、 9、 11及16所述的任意一种利用自立式平行板 分束器的激光二极管封装体结构，其特征在于上述光电二极管芯片设置于光 电二极管芯片基台上部；而在上述光电二极管芯片的侧面、光电二极管芯片和 附着此光电二极管芯片的基台之间的空间，填充对激光不透明，且具有电绝缘 性的物质。
21、 根据权利要求7、 8、 9、 11、 15及16所述的任意一种利用自立式平 行板分束器的激光二极管封装体结构，其特征在于上述激光二极管芯片固定 设置于第二基台上部，而上述第二基台和自立式平行板分束器固定设置于第一 基台上部。
22、 根据权利要求7、 9、 11及16所述的任意一种利用自立式平行板分束 器的激光二极管封装体结构，其特征在于上迷激光二极管芯片固定设置于第 二基台上部，上述第二基台和自立式平行板分束器固定设置于第一基台上部， 而上述接收用光电二极管芯片设置于第一基台内侧。
23、 根据权利要求22所述的一种利用自立式平行板分束器的激光二极管 封装体结构，其特征在于在上述第一基台，形成可个容置接收用光电二极管 芯片的"匚"字形槽。
24、 根据权利要求21或22所述的一种利用自立式平行板分束器的激光二 极管封装体结构，其特征在于上述第二基台的结构与自立式平行板分束器相 同。
25、 根据权利要求24所述的一种利用自立式平行板分束器的激光二极管 封装体结构，其特征在于上述第二基台设置于第一基台上部，并与上述自立 式平行板分束器的前面倾斜面相吻合。
26、 根据权利要求7、 9、 11及16所述的任意一种利用自立式平行板分束 器的激光二极管封装体结构，其特征在于上述接收用光电二极管芯片设置于 接收用光电二极管芯片基台上部，而上述接收用光电二极管芯片与接收用光电 二极管芯片基台倒装焊接。
27、 根据权利要求7、 9、 11及15所述的任意一种利用自立式平行板分束 器的激光二极管封装体结构，其特征在于上述封装体外罩为T0型封装体外 罩。
28、 根据权利要求9或11所述的一种利用自立式平行板分束器的激光二极管封装体结构，其特征在于上述封装体外罩为迷你、微型扁平或蝶式封装体外罩种的一种。
29、根据权利要求7、 8、 9、 11、 15及16所述的任意一种利用自立式平 行板分束器的激光二极管封装体结构，其特征在于假设空气中折射率为m，自立式平行板分束器的折射率为n2，光轴在空气 中向自立式平行板分束器的射入较为6 "且6 2= arcs in ( n2 x s in 6 !/ n2)时，从光纤发射的光信号的光轴到达自立式平行板分束器的前面倾斜面的，从 自立式平行板分束器底面的最少高度，可由如下数学式求得<formula>formula see original document page 7</formula>
全文摘要
本发明涉及自立式平行板分束器及其制作方法和利用此自立式平行板分束器的激光二极管封装体结构。本发明自立式平行板分束器，容易制作，而且为应用于各种形式的激光二极管封装体，制作成可自立的平行板型，从而可利用本发明自立式平行板分束器，容易实现可进行双向通信的激光二极管封装体、具有三工功能的激光二极管封装体、具有波长锁定功能的激光二极管封装体及具备前面监控功能的激光二极管封装体，其利用从激光二极管芯片的前面发射的激光的一部分监控激光二极管芯片的工作状态。
文档编号G02B27/10GK101689746SQ200880009200
公开日2010年3月31日 申请日期2008年3月18日 优先权日2007年3月19日
发明者金定洙 申请人:金定洙