光接收器以及光收发器的制作方法

本发明涉及一种光通讯元件，且特别是涉及一种光接收器以及光收发器。

背景技术：

光通讯是利用光束作为载体来承载资讯。以可见光通讯(Visible Light Communication,VLC)为例，可见光通过调变来承载资讯，使得处于所述可见光的照射范围内的光接收器或光收发器能够从经由调变而承载资讯的可见光来接收资讯。可见光通讯除了能够精准定位之外，还具有节能效益、无电磁波干扰以及安全的通讯通道等优点，因此可见光通讯已成为光通讯领域的研发重点之一。

目前应用于可见光通讯的光接收器或光收发器主要利用菲涅尔透镜(Fresnel lens)将经由调变而承载资讯的可见光汇聚至光电二极管(photodiode)中。然而，受限于菲涅尔透镜的收光角度，目前光接收器或光收发器仅能收集到入射角与光电二极管的光轴夹14度以内的光束，使得光接收器或光收发器的使用范围受到局限。因此，如何改善上述问题实为目前研发人员亟欲解决的问题之一。

技术实现要素：

本发明提供一种光接收器以及光收发器，其收光角度大。

本发明的一种光接收器包括光感测器以及波导。光感测器包括排列成阵列的多个感光区域。波导配置在光感测器上且包括多个光栅、多个光通道以及多个光偏折元件。光栅分别收集以不同入射角入射至波导上的光束。光通道适于传递光栅收集的光束。光偏折元件配置在传递于光通道中的光束的传递路径上且位于感光区域上方。光偏折元件适于将传递于光通道中的光束传递至感光区域。

本发明的一种光收发器包括上述的光接收器以及光学上传装置。

本发明的一种光接收器包括光感测器、波导以及多个第一遮光元件。光感测器包括排列成阵列的多个感光区域。波导配置在光感测器上且包括多个光栅以及多个光通道，其中光栅位于光通道上且分别收集以不同入射角入射至波导上的光束。第一遮光元件遮蔽感光区域，其中第一遮光元件配置在波导上且分别位于两相邻光栅之间。

基于上述，由于光栅具有入射角相依性的特性，因此波导可通过多个光栅来收集以不同入射角入射至波导上的光束，再通过光通道以及光偏折元件将波导所收集的光束传递至光感测器。所以，本发明的光接收器以及应用此光接收器的光收发器可具有大的收光角度，且光接收器以及应用此光接收器的光收发器的使用范围可得以提升。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图作详细说明如下。

附图说明

图1A至图1G是依照本发明的第一实施例的光接收器的一种制作流程的剖面示意图；

图2是依照本发明的第一实施例的光接收器的一种上视示意图；

图3是波长与入射角在不同排列节距下的关系图；

图4是图2的光接收器的一种操作示意图；

图5至图9分别是依照本发明的第二实施例至第六实施例的光接收器的剖面示意图；

图10是依照本发明的一实施例的一种光收发器的剖面示意图。

符号说明

10：光收发器

12、100、200、300、400、500、600：光接收器

14：光学上传装置

110、110’：光感测器

112、112’：基板

114：光电二极管

116：重布线层

120、120’、120”：波导

122：光栅

124、124’：光通道

126、126’：光偏折元件

210：第二遮光元件

d、d’：排列节距

D1：第一介电层

D2：第二介电层

D3：第三介电层

LB、LB1、LB2、LB3：光束

LS：光源

NV、NV’：法向量

P、P’：第一遮光元件

R：感光区域

S：感测面

SI、SI’：斜面

TH：贯孔

U1、U2、U3、U4、U5、U6、U7、U8、U9：感光单元

SL、SL’：狭缝

X1：第一方向

X2：第二方向

A-A’：剖线

θ：入射角

具体实施方式

图1A至图1G是依照本发明的第一实施例的光接收器的一种制作流程的剖面示意图。图2是依照本发明的第一实施例的光接收器的一种上视示意图。图2中剖线A-A’的剖视图可参照图1G。图3是波长与入射角在不同排列节距下的关系图。图4是图2的光接收器的一种操作示意图。

请先参照图1G，光接收器100包括光感测器110以及波导120。光感测器110包括排列成阵列的多个感光区域R。光感测器110可以是一互补式金属氧化物半导体感测器、一光电二极管阵列或其他合适的感光元件。举例而言，光感测器110的制作方法可参照图1A及图1B所示的步骤。首先，提供基板112。基板112例如是P型硅基板，但不以此为限。接着，通过一离子注入制作工艺于基板112邻近感测面S的区域中形成感光区域R。感光区域R例如是基板112中N型重掺杂区域，但不以此为限。

请再参照图1G，波导120配置在光感测器110上且包括多个光栅122、多个光通道124以及多个光偏折元件126。光栅122适于收集入射至波导120上的光束LB。光通道124适于传递光栅122收集的光束LB。光偏折元件126配置在传递于光通道124中的光束LB的传递路径上且位于感光区域R上方，且光偏折元件126适于将传递于光通道124中的光束LB传递至感光区域R。

具体地，光通道124可以是任何适于传递光束LB的媒介。举例而言，光通道124可包括依序堆叠于光感测器110上的第一介电层D1、第二介电层D2以及第三介电层D3，其中第二介电层D2的折射率高于第一介电层D1以及第三介电层D3的折射率。如此一来，光束LB可经由全反射传递于第二介电层D2中。在本实施例中，光偏折元件126例如是一光栅，且光偏折元件126可形成在第一介电层D1上，而光栅122可形成在第三介电层D3上。

波导120的制作方法可参照图1C至图1G所示的步骤。请参照图1C，于光感测器110上形成第一介电层D1。第一介电层D1可全面覆盖基板112的感测面S，且第一介电层D1的材质可包括氧化硅，但不以此为限。接着，于第一介电层D1上形成光偏折元件126。光偏折元件126例如由形成在第一介电层D1上的多个平行排列的狭缝SL’所构成。

狭缝SL’的排列方向及其各自的延伸方向皆与光感测器110的法向量NV’垂直。举例而言，光偏折元件126的狭缝SL’可皆沿第一方向X1排列，且狭缝SL’可皆分别沿与第一方向X1垂直的第二方向X2延伸，但不以此为限。

各光偏折元件126的狭缝SL’具有排列节距d’。排列节距d’的大小可通过调变各狭缝SL’的宽度或狭缝SL’之间的间距来控制。依据不同的设计需求，光偏折元件126的狭缝SL’可具有两种以上的排列节距d’。例如，位于周边的各光偏折元件126的狭缝SL’的排列节距d’可大于位于中心的各光偏折元件126的狭缝SL’的排列节距d’，但不以此为限。

请参照图1D，在第一介电层D1上形成第二介电层D2。第二介电层D2可全面覆盖第一介电层D1且填入光偏折元件126的狭缝SL’中。第二介电层D2的材质可包括氮化硅(Si₃N₄)，但不以此为限。

请参照图1E，在第二介电层D2上形成第三介电层D3。第三介电层D3可全面覆盖第二介电层D2，且第三介电层D3的材质可包括氧化硅，但不以此为限。接着，在第三介电层D3上形成光栅122。光栅122例如由形成在第三介电层D3上的多个平行排列的狭缝SL所构成。

狭缝SL的排列方向及其各自的延伸方向皆与光感测器110的法向量NV’垂直。举例而言，光栅122的狭缝SL可皆沿第一方向X1排列，且狭缝SL可皆分别沿第二方向X2延伸，但不以此为限。

各光栅122的狭缝SL具有排列节距d。排列节距d的大小可通过调变各狭缝SL的宽度或狭缝SL之间的间距来控制。依据不同的设计需求，光栅122的狭缝SL可具有两种以上的排列节距d。例如，位于周边的各光栅122的狭缝SL的排列节距d可大于位于中心的各光栅122的狭缝SL的排列节距d，但不以此为限。

请参照图1F，于光通道124形成多个贯孔TH，各贯孔TH曝露出其中一感光区域R的至少一部分。请参照图1G，于波导120的第三介电层D3上形成多个第一遮光元件P。第一遮光元件P分别位于两相邻光栅122之间，且各光偏折元件126位于其中一第一遮光元件P与对应的感光区域R之间。进一步而言，第一遮光元件P位于感光区域R上方，且遮蔽感光区域R。各第一遮光元件P在感测面S上的正投影(未绘示)可遮蔽对应的光偏折元件126在感测面S上的正投影(未绘示)。如此，可避免外界光束直接照射光偏折元件126所造成的干扰。此外，各第一遮光元件P在感测面S上的正投影(未绘示)也可遮蔽对应的感光区域R在感测面S上的正投影(未绘示)，以避免外界光束直接照射感光区域R。

在本实施例中，第一遮光元件P采用导电材质，且各第一遮光元件P填入对应的贯孔TH中，而与对应的感光区域R接触。如此，便可将感光区域R所收集的信号导出。换句话说，本实施例的第一遮光元件P除了可遮蔽外界光束对于感光区域R的干扰之外，还可用于将感光区域R所收集的信号导出。在另一实施例中，光接收器100可额外配置用以将感光区域R所收集的信号导出的接垫，而第一遮光元件P仅用以遮光。另外，第一遮光元件P的总面积与光接收器100的总面积的比值小于20％。此外，光栅122的总面积与光接收器100的总面积的比值大于或等于50％，且较佳大于或等于80％。上述面积比适用以下设置有第一遮光元件或光栅的所有实施例，于下便不再赘述。

请参照式(1)及图1G，θ为光束LB的入射角。此处，入射角θ定义为光束LB与波导120的法向量NV的夹角。n为光通道124的等效折射率，λ为光束LB的波长。根据式(1)，在折射率n为定值下，光栅122收集的光束LB的入射角θ会与光束LB的波长λ以及狭缝SL的排列节距d相关。

在单一波长的光源照射下，请参照图3，当折射率n以及波长λ为定值时，狭缝SL的排列节距d越大，入射角θ越大的光束LB能够被光栅122收集。换句话说，通过使光栅122的狭缝SL具有两种以上的排列节距d，光栅122可分别收集以不同入射角θ入射至波导120上的光束LB。如此，不但有助于提升光接收器100的收光角度，还有助于提升光接收器100的使用范围。

另一方面，在多种不同波长的光源照射下，可依据光束LB的波长λ设计狭缝SL的排列节距d，使光栅122分别收集以不同入射角θ入射至波导120上的不同波长λ的光束LB。如此，光接收器100在多种不同波长的光源照射下也能具有大的收光角度及使用范围。

以图2的架构为例，光接收器100可依据光栅122的分布划分出多个感光单元，如感光单元U1、U2、U3、U4、U5、U6、U7、U8、U9。感光单元U1至感光单元U9排列成阵列，例如排列成三乘三阵列，但不以此为限。各感光单元涵盖一个光栅122、一个光偏折元件126以及一个感光区域R。然而，各感光单元中光栅122、光偏折元件126以及感光区域R的数量可依需求改变，而不以图1G绘示者为限。例如，各感光单元中光偏折元件126以及感光区域R的数量可为多个，但也不以此为限。

位于光接收器100中心的感光单元U5中的狭缝SL可具有小的排列节距d，使光栅122收集入射角θ小的光束(如图4中的光束LB1)。邻近感光单元U5的感光单元U2、U4、U6、U8中的狭缝SL可分别具有中的排列节距d，使光栅122收集入射角θ稍大的光束(如图4中的光束LB2)。远离感光单元U5的感光单元U1、U3、U7、U9中的狭缝SL可分别具有大的排列节距d，使光栅122收集入射角θ较大的光束(如图4中的光束LB3)。如此，光接收器100可收集以不同入射角θ入射至波导120上的光束。

补充说明的是，对应不同排列节距d的感光单元也可随机排列。或者，感光单元也可以是沿单一方向排列，而不以上述说明为限。另外，各光偏折元件126的狭缝SL’的排列节距d’与对应的光栅122的狭缝SL的排列节距d需相匹配，以利各光偏折元件126将对应的光栅122收集的光束LB传递至感光区域R，且避免其余的光束(例如非对应的光栅122收集的光束LB或外界光束)传递至感光区域R所造成的相互干扰问题。如此，光接收器100可具有较佳的讯杂比(Signal-to-Noise Ratio,SNR)。在本实施例中，狭缝SL’形成在第一介电层D1上，而狭缝SL形成在第三介电层D3上。由于第一介电层D1与第三介电层D3的材质相同，故在各感光单元中，光偏折元件126的狭缝SL’的排列节距d’例如相同于光栅122的狭缝SL的排列节距d，但不以此为限。

补充说明的是，狭缝SL(或狭缝SL’)的排列方向(或延伸方向)不限于完全相同。在其他实施例中，狭缝SL可具有两种以上的排列方向(或延伸方向)。以图2的架构为例，感光单元U4、U5、U6中的狭缝SL(或狭缝SL’)可皆沿第一方向X1排列，且狭缝SL可分别沿第二方向X2延伸。感光单元U1、U2、U3、U7、U8、U9中的狭缝SL可皆沿第二方向X2排列，且狭缝SL可分别沿第一方向X1延伸。如此，可增加光接收器100的收光方向。

相较于传统光接收器采用菲涅尔透镜搭配光电二极管的设计，本实施例的光接收器100除了可具有较大的收光角度之外，还可具有较佳的讯杂比。此外，相较于传统光接收器的体积(宽度、长度及厚度依序为30mm、30mm及17.5mm)，本实施例的光接收器100可具有较小的体积。以四乘四阵列排列的感光单元为例，光接收器100的宽度、长度及厚度可依序为9mm、18mm及1mm。因此，本实施例的光接收器100较易整合在可携式装置中。在实际操作上，光接收器100可架构于智慧型手机的背盖、智慧型手表或其他可携式装置中。

请参照图4，通过将光接收器100移动至光源LS的照射范围内，光接收器100可收集经由调变而承载资讯的光束LB1、光束LB2以及光束LB3的其中至少一者。与光接收器100耦接的后端处理线路(未绘示)可确认侦测到光束的感光单元的数量并确认侦测到光束的感光单元的位址，且可利用诸如转阻放大器(transimpedance amplifier,TIA)等元件将感光区域R所产生的光电流信号转成电压信号并将电压电信号放大。在此，转阻放大器的数量可小于或等于感光区域R(或感光单元)的数量。

后端处理线路可依据侦测到光束的感光单元的数量决定是否开始下载资讯。举例而言，可设定为在侦测到光束的感光单元的数量大于或等于2时令光接收器100开始下载资讯。当侦测到光束的感光单元的数量为0时，后端处理线路可经由使用者界面提醒使用者改变光接收器100的位置。当侦测到光束的感光单元的数量非0且大于或等于1时，则后端处理线路可接续判断侦测到光束的感光单元的数量是否大于或等于2。若侦测到光束的感光单元的数量等于1，则后端处理线路可经由使用者界面提醒使用者是否改变光接收器100的位置。若使用者同意以单一感光单元进行数据传输，则后端处理线路可令光接收器100开始下载资讯。若使用者欲使用多个感光单元同时进行数据传输，则改变光接收器100的位置。在使用者改变光接收器100的位置后，后端处理线路再次进行上述判断。若后端处理线路侦测到光束的感光单元的数量大于或等于2，则可令光接收器100开始下载资讯。

以下通过图5至图9说明光接收器的其他实施型态，其中相同的元件以相同的标号表示，于下便不再赘述相同元件的材质、配置关系及功效。图5至图9分别是依照本发明的第二实施例至第六实施例的光接收器的剖面示意图。

请参照图5，光接收器200相似于图1G的光接收器100。两者的主要差异在于：光接收器200还包括多个第二遮光元件210。第二遮光元件210位于波导120与光感测器110之间，且各第二遮光元件210位于其中一光栅122下方。第二遮光元件210适于将直接穿透光栅122且朝光感测器110传递的光束遮蔽。第二遮光元件210可以是单层或多层金属层，但不以此为限。在另一实施例中，第二遮光元件210可以由太阳能电池元件取代。如此，太阳能电池元件可吸收杂光且增加电池续航力。

请参照图6，光接收器300相似于图1G的光接收器100。两者的主要差异在于：在波导120’中，光偏折元件126’例如是一反射层。光通道124’具有位于感光区域R上的多个斜面SI，且光偏折元件126’覆盖斜面SI，以将传递于光通道124’中的光束反射至感光区域R。

在本实施例中，光偏折元件126’的材质可采用具导电特性的反光材质，使光偏折元件126’除了可用于反射光束之外，还可用于将信号导出。如此，光接收器300可省略图1G的第一遮光元件P。

此外，光偏折元件126’在感测面S上的正投影(未绘示)可遮蔽感光区域R在感测面S上的正投影(未绘示)，以避免外界光束直接照射到感光区域R。换句话说，本实施例的光偏折元件126’还可作为遮光元件，遮蔽外界光束对于感光区域R的干扰。

光通道124’还可进一步具有多个斜面SI’。各斜面SI’与对应的斜面SI分别配置在对应的光栅122的相对两侧。光偏折元件126’还可覆盖斜面SI’。配置在斜面SI’上的光偏折元件126’可将朝斜面SI’传递的光束反射，使光束朝斜面SI传递。被朝斜面SI传递的光束可经由配置在斜面SI上的光偏折元件126’反射至感光区域R。

在一实施例中，光接收器300也可包括图5的第二遮光元件210，以将直接穿透光栅122且朝光感测器110传递的光束遮蔽。

请参照图7，光接收器400相似于图1G的光接收器100。两者的主要差异在于：光接收器400的光感测器110’包括基板112’、多个光电二极管114以及重布线层(Redistribution Layer,RDL)116。基板112’可以是玻璃基板或是塑胶基板。光电二极管114配置在基板112’下，且光电二极管114所在的区域即感光区域R。光电二极管114适于将接收到的光信号转成电信号。重布线层116位于光电二极管114与基板112’之间，其适于将电信号导出。因此，本实施例的波导120”可以省略制作图1F的贯孔TH以及用以将信号导出的元件(如图1G的第一遮光元件P)。

请参照图8，光接收器500相似于图7的光接收器400。两者的主要差异在于：光接收器500进一步包括多个第一遮光元件P’。第一遮光元件P’配置在波导120”的第三介电层D3上且分别位于两相邻光栅122之间。第一遮光元件P’遮蔽光偏折元件126，以避免外界光束直接照射光偏折元件126。此外，第一遮光元件P’也遮蔽感光区域R(光电二极管114所在的区域)，以避免外界光束直接照射感光区域R。在本实施例中，第一遮光元件P’仅用以遮光，可以不用将感光区域R所收集的信号导出，因此光接收器500的光通道124可以省略制作图1F的贯孔TH，且第一遮光元件P’可不与感光区域R接触。

此外，光接收器500还进一步包括图5的第二遮光元件210。第二遮光元件210配置在光感测器110’上且位于波导120”与光感测器110’之间，其中各第二遮光元件210位于其中一光栅122下方。第二遮光元件210适于将直接穿透光栅122且朝光感测器110传递的光束遮蔽。第二遮光元件210可以是单层或多层金属层，但不以此为限。

在另一实施例中，光接收器500也可省略第一遮光元件P’与第二遮光元件210的其中一者。在又一实施例中，第一遮光元件P’与第二遮光元件210的其中至少一者可以由太阳能电池元件取代。

请参照图9，光接收器600相似于图6的光接收器300。两者的主要差异在于：光接收器600的光感测器110’采用图7的架构。针对光感测器110’的说明请参照图7的相关内容，于此不再赘述。

图10是依照本发明的一实施例的一种光收发器的剖面示意图。请参照图10，光收发器10包括光接收器12以及光学上传装置14。光接收器12可采用图1G中光接收器100的架构，但不以此为限。在其他实施例中，光接收器12也可采用图5至图9中光接收器200、300、400、500、600的架构。光学上传装置14安装于光接收器12上。光学上传装置14例如通过发出光束以传输信号。光学上传装置14所发出的光束较佳具有高指向性。举例而言，光学上传装置14可包括红外光发光二极管，且光学上传装置14所发出的光束为红外光，但不以此为限。

综上所述，在本发明的光接收器中，波导具有多个光栅。利用光栅具有入射角度相依性的特性，波导可通过不同光栅来收集以不同入射角入射至波导上的光束，再经由光通道以及光偏折元件将光束传递至光感测器。因此，本发明的光接收器以及应用此光接收器的光收发器可具有大的收光角度。在一实施例中，通过改变光栅中狭缝SL的排列方向，还可进一步提升光接收器以及应用此光接收器的光收发器的收光方向。

虽然结合以上实施例揭露了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中熟悉此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围应以附上的权利要求所界定的为准。