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TWI412195B - 用於多重雷射應用之雷射組件 - Google Patents

用於多重雷射應用之雷射組件 Download PDF

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TWI412195B
TWI412195B TW096107001A TW96107001A TWI412195B TW I412195 B TWI412195 B TW I412195B TW 096107001 A TW096107001 A TW 096107001A TW 96107001 A TW96107001 A TW 96107001A TW I412195 B TWI412195 B TW I412195B
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lasers
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TW096107001A
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Joseph Michael Freund
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Agere Systems Inc
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Description

用於多重雷射應用之雷射組件
本發明大體係關於雷射組件，且更明確而言係關於包含多個雷射之雷射組件。
近年來，愈來愈需要能夠將一個以上半導體雷射整合至一單一光學設備中。舉例而言，各種不同光碟格式(諸如，緊密光碟(CD)、數位化多功能光碟(DVD)及Blu－ray DiscTM )在用於記錄數位資料及娛樂方面已風行起來。然而，此等光碟格式中之每一者需要不同波長之半導體雷射來用於其建構。因此，形成一能夠讀取一個以上格式之光碟及寫入至一個以上格式之光碟之光碟機需要在一單一光碟機中包括兩個或兩個以上半導體雷射。
而且，雷射印表機通常利用一單一半導體雷射來在一感光器轉鼓上形成影像以便隨後可將該等影像轉印至紙張。雷射印表機可印刷一頁之速度通常為其半導體雷射之輸出功率的函數。雷射輸出功率愈高，印刷數度愈快。因此，組合雷射印表機中之一個以上半導體雷射之輸出功率以便增加印刷速度是具有優勢的。
一光學設備(諸如，光碟機或雷射印表機)通常使用一組引導光學器件來將其半導體雷射之輸出引導至其各別目標(例如，光碟媒體或感光器轉鼓)。此等引導光學器件可包含(例如)固定及可移鏡面、稜鏡、格柵及透鏡。在即將使用一個以上半導體雷射之彼等光學設備中，通常有益地是具備用於所有半導體雷射之單一組引導光學器件，而非具備用於每一半導體雷射之獨立組引導光學器件。具備單一組引導光學器件大體上減少了光學設備之複雜性、尺寸及成本。
在一多重雷射光學設備中建構一單一組引導光學器件通常需要使多個雷射之雷射束彼此靠近及在大體相同的方向中引導以便模擬自一單一雷射源發射的雷射束。為在一單一光學設備中建構兩個半導體雷射，名為"Optical Source Module for Generating Beams with Different Wavelengths"之美國專利第6,038,204號(例如)描述一雷射組件，其包含一具有一圖案化特徵之矽基板，該圖案化特徵具有位於安裝至該基板之兩個相對半導體雷射之間的三角橫截面。兩個相對半導體雷射之雷射束被圖案化特徵之傾斜表面發射使得經反射之雷射束近似於自一雷射所發射的光。然而，儘管此設計明顯簡易，但通常極難藉由使用習知矽基板及處理技術來以關於基板表面定向45度之傾斜角來在矽基板中圖案化一三角特徵。因此，此雷射組件自身不易於大量生產。為解決此困難，名為"Optical Pickup Projecting Two Laser Beams from Apparently Approximated Light－Emitting Points"之美國專利第6,937,405號提議在兩個相對半導體雷射之間安置矽的離散立方體使得自兩個半導體雷射之雷射束以45度角反射離立方體之兩個表面。當然，此解決方案對雷射組件之形成增加了相當大的複雜性及費用。此外，以上解決方案中之任一者均難以使來自兩個以上雷射之輸出進行光耦合。
因此，需要一雷射組件，其允許自兩個或兩個以上雷射之雷射束近似於自一單一雷射源發射之雷射束，同時沒有在先前技術中發現的附帶缺點。
本發明之實施例藉由提供一允許自兩個或兩個以上雷射之雷射束近似於自一單一雷射源發射之雷射束的雷射組件來解決上文辨析之需要。有利地，可使用習知基板及半導體處理技術來容易地製造此雷射組件。
根據本發明之態樣，一雷射組件包含一基板及兩個或兩個以上雷射。該基板具有一大體平坦表面區域及一凸起特徵。該凸起特徵包含兩個或兩個以上反射性表面。兩個或兩個以上雷射中之每一者安裝至該大體平坦表面區域且經組態而以一關於該大體平坦表面區域之非零傾斜角發射一指向該凸起特徵之雷射束。
在一說明性實施例中，一矽基板包含一圍繞一凸起特徵之大體平坦表面區域。該凸起特徵進而包含關於該大體平坦表面區域成約55度角之四個反射性表面。四個邊射型半導體雷射經定向而使得其雷射束中之每一者被一反射性表面反射。經由使用新穎塊狀特徵結合回焊來將半導體雷射相對於該大體平坦表面區域向上傾斜約10度。半導體雷射之此傾斜允許使雷射束彼此靠近及在大體垂直於基板之平坦表面區域之共同方向中被反射。
本發明之此等及其他特徵及優勢將自結合附圖而加以閱讀之以下實施方式變得明顯。
本文將結合例示性雷射組件說明本發明。然而應瞭解，本發明不限於本文所示及所描述之特定類型之雷射、配置、材料、薄膜層及處理步驟。對說明性實施例之修改對於熟習此項技術者應變得明顯。
亦應瞭解，在附圖中展示之各種特徵可能未按比例繪製。此外為使描述簡潔，將諸圖限定為僅展示本發明之態樣所需的彼等元件。在實際應用中，根據本發明之態樣之雷射組件將可能含有多於本文所說明之元件的元件。此等更廣泛之雷射組件將仍屬於本發明之範疇。
圖1展示根據本發明之態樣之雷射組件100的平面圖。圖2展示沿圖1中所指示之1A-1A'切割所得之圖1雷射組件之剖面圖。
該雷射組件100包括結晶矽基板110。該基板包含一大體平坦表面區域，其上安裝有四個結合襯墊120-i，其中i=1、2、3及4。四個半導體雷射130-i進而安裝於結合襯墊上，其有效邊極接近基板。一凸起特徵140形成於基板之中心中。該凸起特徵包含四個反射性表面145-i。
根據本發明之態樣，安裝半導體雷射130-i使其相對於基板110之大體平坦表面區域向上傾斜約10度。如圖2中所示，經由使用用來提升每一半導體雷射之一端的塊狀特徵150-i來完成此傾斜。一些焊料160-i位於每一半導體雷射與其各別結合襯墊120-i之間。該等量之焊料填充由半導體雷射之傾斜所形成之間隔且用來將半導體雷射緊固至其各別結合襯墊。
說明性光學組件100中之半導體雷射130－i之每一者為邊射型半導體雷射。定向該等半導體雷射使得其雷射束撞擊凸起特徵140之反射性表面145－i且被該等反射性表面145－i反射。凸起特徵進而使自各半導體雷射發射之雷射束彼此靠近及在大體相同的方向中引導雷射束。
關於圖1及圖2中所示之說明性實施例，應注意儘管說明性雷射組件100包含邊射型半導體雷射130－i，但亦可利用其他類型之雷射且所得雷射組件仍將屬於本發明的範疇。舉例而言，雷射束可為垂直共振腔面射型雷射，垂直共振腔面射型雷射經定向使得其發射之雷射束指向凸起特徵140(以任何所需傾斜)。此外，亦應認識到說明性實施例中之半導體雷射需要各種控制信號以發揮作用。此等控制信號由圖1及圖2中未明確展示但為熟習此項技術者熟知之額外佈線提供。
在雷射組件100中，半導體雷射130－i均為約500微米長，此對於邊射型半導體雷射為典型的。此外，定位半導體雷射使得其發射邊緣位於離凸起特徵140約100微米。在此組態下，凸起特徵較佳為約250微米高。此高度允許自各半導體雷射發射之雷射束在其各別反射性表面145－i之中心附近撞擊此等表面。此外，使用矽基板及下文所描述之半導體處理技術易於達成此高度。
當考慮凸起特徵140之性質時，傾斜半導體雷射130－i之優勢變得明顯。為易於製造(下文更詳細描述)，說明性雷射組件100中之凸起特徵較佳使用習知光微影及各向異性蝕刻技術藉由各向異性蝕刻具有一<100>晶面方位之結晶矽來形成。由於是較佳的製造方法，因此基板110之大體平坦表面區域仍具有一<100>晶面方位，而反射性表面145－i均具有一大體<111>晶面方位。如此產生以特徵為<100>結晶矽之各向異性蝕刻之角度而定向的成角表面(即55度)。
若半導體雷射130－i不傾斜且雷射束以平行於基板110之大體平坦表面區域發射，則每一雷射束將以等於約35度之入射角撞擊其各別反射性表面145－i。由於入射角通常等於反射角，因此每一雷射束隨後將以相對於大體平坦表面區域約70度之角被反射。換言之，雷射束將不垂直於大體平坦表面區域被反射。此可能引起雷射束在被發射之後彼此發散開。
傾斜雷射束使得其以約10度之傾斜角自半導體雷射130－i傳播至反射性表面145－i，另一方面，補償反射性表面之55度角且引起雷射束以等於約45度之入射角撞擊其各別反射性表面。以此方式，將自各半導體雷射之雷射束每一者以近似垂直於大體平坦表面區域之角反射。藉此減小了雷射束被反射之後的發散且該等雷射束近似於自一單一雷射源所發射之雷射束。
應注意，雖然反射性表面145－i常常將具有一關於基板110之大體平坦表面區域約55度之角，但本發明在廣泛的角範圍上有效。更通常而言，若反射性表面具有關於大體平坦表面區域之x度的角，則半導體雷射130－i將較佳傾斜約x減去45度。此組態允許半導體雷射所發射之雷射束由凸起特徵140以近似垂直於大體平坦表面區域之角反射。
可使用習知基板及半導體處理技術來容易地製造此雷射組件100。圖3至圖6展示各個形成階段期間，雷射組件100之剖面圖。最初，遮罩層210沈積於矽基板110上，如圖3中所示。接著，利用習知光微影及反應式離子蝕刻(RIE)技術來圖案化遮罩層以形成上覆凸起特徵140之所要位置的遮罩特徵220。所得薄膜堆疊在圖4中展示。
如上文所陳述，基板110較佳具有一<100>晶面方位。有利地，當前半導體工業在製造矽基半導體設備時，主要使用具有該<100>晶面方位之矽基板。此外，此等通用之矽基板通常具有在約700微米與750微米之間的厚度。因此，與本應用相容之矽基板易於自商業供應商購得且與不常使用之基板組態相比而言相對便宜。
在下一處理步驟中，將一被遮罩之薄膜堆疊曝露於一各向異性蝕刻製程。此各向異性蝕刻製程借助以下事實：某些蝕刻劑傾向於以大體不同之蝕刻速率蝕刻結晶矽的不同晶面。舉例而言，氫氧化鉀(KOH)蝕刻矽之<100>晶面比其蝕刻矽之<111>晶面快約400倍。因此，該各向異性蝕刻製程可藉由將薄膜堆疊曝露於包含KOH之濕溶液(諸如，KOH、乙二醇及水的溶液)來完成。作為KOH之替代品，乙烯二胺鄰苯二酚(EDP)可用於選擇性地蝕刻矽。此外，存在熟習此項技術者已知且將屬於本發明之範疇之用於結晶矽的若干其他選擇性蝕刻劑。
各向異性蝕刻製程移除不具遮罩層處所具的矽。為經受住各向異性蝕刻製程，較佳由一介電材料(諸如，二氧化矽或氮化矽)形成遮罩特徵220。此等材料在KOH及EDP兩者中均顯示緩慢的蝕刻速率。在以各向異性方式蝕刻薄膜堆疊並移除遮罩特徵之後，薄膜堆疊表現為如圖5中所示。將觀測到，各向異性蝕刻製程形成雷射組件100之凸起特徵140以及凸起特徵140之四個反射性表面145-i。凸起特徵之高度將很大程度上為各向異性蝕刻製程之持續時間的函數。
在製程中之此時，可視需要用一反射性塗料塗覆凸起特徵140以幫助有效地反射雷射束。此反射性塗料可包含(例如)沈積於一鈦薄層上之一薄層金。鈦用來將金黏著至矽，同時金充當良好的反射物。然而，材料之此組合僅為一種可能。本發明亦涵蓋其他材料可用於反射性塗料，諸如(但不限於)銀及鋁。
隨後，結合襯墊120-i可藉由在薄膜堆疊上沈積一結合襯墊毯覆層及隨後使用習知光微影及RIE技術將結合襯墊材料圖案化成離散結合襯墊來形成。隨後亦可由習知沈積、光微影及RIE來形成塊狀特徵150-i。在形成結合襯墊及塊狀特徵之後，組件將表現為圖6中所示的。結合襯墊及塊狀特徵較佳將包含金、銀或銅，但亦可利用其他適當材料。若半導體雷射130-i具有約500微米之長度，則塊狀特徵將 具有約80微米之高度以便將半導體雷射傾斜約10度。
如早前所描述，使用大量焊接材料160-i完成半導體雷射130-i至結合襯墊120-i的附著。可經由(例如)使用習知焊料預成型坯來容易地完成此附著。焊料預成型坯為可採取許多不同形狀(例如，帶狀、碟狀及丸狀)之焊料合金之預製件。可為特定應用定製此特定形狀。
藉由將一焊料預成型坯安置於半導體雷射與結合襯墊之間及藉由施加熱來回焊該焊料預成型坯來將半導體雷射130-i附著至其結合襯墊120-i。可(例如)藉由將組件通過一隧道爐來將熱施加於組件。焊接材料之回焊所需要之溫度將視所利用之焊接材料的特定類型而定，但其通常將在180與360攝氏溫度之間。所選擇之焊接材料應較佳為良好地黏著至結合襯墊及半導體雷射兩者的焊接材料。焊接材料可(例如)包含類似於常規用於積體電路封裝技術中之矽鉛合金(例如，Sn63/Pb37及Pb90/Sn10)，或者可包含許多其他類型之無鉛合金(例如，Sn96.5/Ag3.5、Sn90/Ag90及Au88/Ge12)。
一旦如圖6中所示將半導體雷射130-i附著至組件，組件便看似與圖1及圖2中所示之雷射組件100相同。此時，可使用習知佈線技術製造與半導體雷射之電連接(未圖示)。
圖7展示根據本發明之一說明性實施例之光學設備300中之雷射組件100之建構的方塊圖。除雷射組件以外，該光學設備另外包含控制電路310。光學設備中之半導體雷射130-i之操作很大程度上為習知的且將為熟習此項技術者熟知。此外，半導體雷射之操作在許多易於獲得之文獻中詳細描述，例如，P.Holloway等的Handbook of Compound Semiconductors (William Andrews Inc.,1996年)，及E.Kapon的Semiconductor Lasers II (Elsevier，1998年)，該等文獻以引用的方式併入本文中。
經由施加一電控制電壓而為半導體雷射130－i供電。通常，所施加之控制電壓之量值愈大，光輸出量則愈大。在光學設備300中，控制電路310施加控制電壓至半導體雷射。精確的雷射輸出功率可視需要經由使用量測半導體雷射之輸出功率且將此量測反饋給控制電路之一或多個監控光電二極體來維持。控制電路可為光學設備內之離散電路部分，或相反可整合至設備之其他電路中。
一多重雷射組件(諸如，雷射組件100)中之半導體雷射130－i可發射相同波長之光或可發射不同波長之光，或其組合。如前面所陳述，一多重雷射組件可用於能夠記錄及播放根據若干光碟格式(諸如CD、DVD及Blu－ray DiscTM )之資料的光學儲存驅動機中。此多重雷射組件將利用發射不同於彼此之波長之光的半導體雷射。Blu－ray DiscTM 為能夠記錄及播放自(例如)高清晰度廣播之高清晰度內容之相對較新的光碟。用於Blu－ray DiscTM 應用之半導體雷射通常以405奈米之波長發射。用於DVD及CD應用之半導體雷射通常分別以660及785奈米之波長發射。
此外，可能需要使半導體雷射130－i以相同波長發射且組合其輸出以用於某些高功率應用。因此，根據本發明之態樣之多重雷射組件用於形成具有比由任何單一半導體雷射單獨可產生之功率更大的功率之雷射束。如前面所陳述，此多重雷射組件可用於印表機中，且此外亦可用於類似包含(例如)光纖通信之應用的其他應用中。
重要的是，應瞭解儘管本文已參考所附圖式描述本發明之說明性實施例，但本發明不限於該等精確實施例。舉例而言，特定雷射、安裝結構、電路及本文所描述之其他特徵在其他實施例中可變化。熟習此項技術者將認識到可進行各種其他改變及修改而不脫離所附申請專利範圍之範疇。
100．．．雷射組件
110．．．結晶矽基板
120－1．．．結合襯墊
120－2．．．結合襯墊
120－3．．．結合襯墊
120-4‧‧‧結合襯墊
130-1‧‧‧半導體雷射
130-2‧‧‧半導體雷射
130-3‧‧‧半導體雷射
130-4‧‧‧半導體雷射
140‧‧‧凸起特徵
145-1‧‧‧反射性表面
145-2‧‧‧反射性表面
145-3‧‧‧反射性表面
145-4‧‧‧反射性表面
150-1‧‧‧塊狀特徵
150-3‧‧‧塊狀特徵
160-1‧‧‧焊接材料
160-3‧‧‧焊接材料
210‧‧‧遮罩層
220‧‧‧遮罩特徵
300‧‧‧光學設備
310‧‧‧控制電路
圖1展示根據本發明之一說明性實施例之雷射組件的平面圖。
圖2展示在圖1中所指示之平面中切割所得之圖1雷射組件之剖面圖。
圖3至圖6展示在各個形成階段期間，圖1雷射組件之剖面圖。
圖7展示包含圖1雷射組件之說明性光學設備的方塊圖。
100．．．雷射組件
110．．．結晶矽基板
120－1．．．結合襯墊
120－2．．．結合襯墊
120－3．．．結合襯墊
120－4．．．結合襯墊
130－1．．．半導體雷射
130－2．．．半導體雷射
130－3．．．半導體雷射
130－4．．．半導體雷射
140．．．凸起特徵
145－1．．．反射性表面
145－2．．．反射性表面
145－3．．．反射性表面
145－4．．．反射性表面

Claims (9)

  1. 一種雷射組件，其包含：一基板，該基板具有一實質平坦表面區域及一凸起特徵(raised feature)，該凸起特徵包含兩個或兩個以上反射性表面；兩個或兩個以上雷射，該兩個或兩個以上雷射中之每一者安裝至該實質平坦表面區域且經組態而以一相對於該實質平坦表面區域係非零之傾斜角發射一指向該凸起特徵的雷射束；及用於該兩個或兩個以上雷射中之各別者之塊狀特徵(block feature)，每一塊狀特徵係安置於其各別雷射與該實質平坦表面區域之間且係運作以相對於該實質平坦表面區域傾斜其各別雷射；其中該等塊狀特徵經組態以提供傾斜角度至該等各別雷射，該等各別反射性表面之實際角度和該等反射性表面為確保該等雷射束由該等各別反射性表面實質上垂直於該實質平坦表面區域反射所必須具有之角度之間具有各別差異，該等塊狀特徵提供之傾斜角度係抵銷該等各別差異。
  2. 如請求項1之雷射組件，其中該兩個或兩個以上雷射之該傾斜角經組態以使該等雷射束被該凸起特徵以一實質上垂直於該實質平坦表面區域之角度反射。
  3. 如請求項1之雷射組件，其中該兩個或兩個以上反射性表面係相對於該實質平坦表面區域約55度而定向。
  4. 如請求項1之雷射組件，其中該實質平坦表面區域包含具有一實質<100>晶面方位之結晶矽。
  5. 如請求項1之雷射組件，其中該兩個或兩個以上反射性表面包含具有一實質<111>晶面方位之結晶矽。
  6. 一種用於發射多道雷射束之裝置，其包括：一雷射組件，該雷射組件包含：一基板，該基板具有一實質平坦表面區域及一凸起特徵，該凸起特徵包含兩個或兩個以上反射性表面；兩個或兩個以上雷射，該兩個或兩個以上雷射中之每一者安裝至該實質平坦表面區域且經組態而以一相對於該實質平坦表面區域係非零之傾斜角發射一指向該凸起特徵的雷射束；及用於該兩個或兩個以上雷射中之各別者之塊狀特徵，每一塊狀特徵係安置於其各別雷射與該實質平坦表面區域之間且係運作以相對於該實質平坦表面區域傾斜其各別雷射；其中該等塊狀特徵經組態以提供傾斜角度至該等各別雷射，該等各別反射性表面之實際角度和該等反射性表面為確保該等雷射束由該等各別反射性表面實質上垂直於該實質平坦表面區域反射所必須具有之角度之間具有各別差異，該等塊狀特徵提供之傾斜角度係抵銷該等各別差異；以及耦接至該兩個或兩個以上雷射之控制電路，該控制電路運作以控制該兩個或兩個以上雷射。
  7. 如請求項6之裝置，其中該兩個或兩個以上雷射中之至少兩者以與彼此相同之波長發射。
  8. 一種形成一雷射組件之方法，該方法包含以下步驟：形成一基板，該基板具有一實質平坦表面區域及一凸起特徵，該凸起特徵包含兩個或兩個以上反射性表面；形成經調適以安裝於該實質平坦表面區域之兩個或兩個以上雷射，該兩個或兩個以上雷射中之每一者經組態而以一相對於該實質平坦表面區域係非零之傾斜角發射一指向該凸起特徵的雷射束；及形成用於該兩個或兩個以上雷射中之各別者之塊狀特徵，每一塊狀特徵係安置於其各別雷射與該實質平坦表面區域之間且係運作以相對於該實質平坦表面區域傾斜其各別雷射；其中該等塊狀特徵經組態以提供傾斜角度至該等各別雷射，該等各別反射性表面之實際角度和該等反射性表面為確保該等雷射束由該等各別反射性表面實質上垂直於該實質平坦表面區域反射所必須具有之角度之間具有各別差異，該等塊狀特徵提供之傾斜角度係抵銷該等各別差異。
  9. 如請求項8之方法，其中形成該基板之該步驟包含各向異性(anisotropic)蝕刻。
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