光接收器以及光收發器的制作方法

本發明涉及一種光通訊元件，且特別是涉及一種光接收器以及光收發器。

背景技術：

光通訊是利用光束作為載體來承載資訊。以可見光通訊(Visible Light Communication,VLC)為例，可見光通過調變來承載資訊，使得處于所述可見光的照射范圍內的光接收器或光收發器能夠從經由調變而承載資訊的可見光來接收資訊。可見光通訊除了能夠精準定位之外，還具有節能效益、無電磁波干擾以及安全的通訊通道等優點，因此可見光通訊已成為光通訊領域的研發重點之一。

目前應用于可見光通訊的光接收器或光收發器主要利用菲涅爾透鏡(Fresnel lens)將經由調變而承載資訊的可見光匯聚至光電二極管(photodiode)中。然而，受限于菲涅爾透鏡的收光角度，目前光接收器或光收發器僅能收集到入射角與光電二極管的光軸夾14度以內的光束，使得光接收器或光收發器的使用范圍受到局限。因此，如何改善上述問題實為目前研發人員亟欲解決的問題之一。

技術實現要素：

本發明提供一種光接收器以及光收發器，其收光角度大。

本發明的一種光接收器包括光感測器以及波導。光感測器包括排列成陣列的多個感光區域。波導配置在光感測器上且包括多個光柵、多個光通道以及多個光偏折元件。光柵分別收集以不同入射角入射至波導上的光束。光通道適于傳遞光柵收集的光束。光偏折元件配置在傳遞于光通道中的光束的傳遞路徑上且位于感光區域上方。光偏折元件適于將傳遞于光通道中的光束傳遞至感光區域。

本發明的一種光收發器包括上述的光接收器以及光學上傳裝置。

本發明的一種光接收器包括光感測器、波導以及多個第一遮光元件。光感測器包括排列成陣列的多個感光區域。波導配置在光感測器上且包括多個光柵以及多個光通道，其中光柵位于光通道上且分別收集以不同入射角入射至波導上的光束。第一遮光元件遮蔽感光區域，其中第一遮光元件配置在波導上且分別位于兩相鄰光柵之間。

基于上述，由于光柵具有入射角相依性的特性，因此波導可通過多個光柵來收集以不同入射角入射至波導上的光束，再通過光通道以及光偏折元件將波導所收集的光束傳遞至光感測器。所以，本發明的光接收器以及應用此光接收器的光收發器可具有大的收光角度，且光接收器以及應用此光接收器的光收發器的使用范圍可得以提升。

為讓本發明的上述特征和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，并配合所附附圖作詳細說明如下。

附圖說明

圖1A至圖1G是依照本發明的第一實施例的光接收器的一種制作流程的剖面示意圖；

圖2是依照本發明的第一實施例的光接收器的一種上視示意圖；

圖3是波長與入射角在不同排列節距下的關系圖；

圖4是圖2的光接收器的一種操作示意圖；

圖5至圖9分別是依照本發明的第二實施例至第六實施例的光接收器的剖面示意圖；

圖10是依照本發明的一實施例的一種光收發器的剖面示意圖。

符號說明

10：光收發器

12、100、200、300、400、500、600：光接收器

14：光學上傳裝置

110、110’：光感測器

112、112’：基板

114：光電二極管

116：重布線層

120、120’、120”：波導

122：光柵

124、124’：光通道

126、126’：光偏折元件

210：第二遮光元件

d、d’：排列節距

D1：第一介電層

D2：第二介電層

D3：第三介電層

LB、LB1、LB2、LB3：光束

LS：光源

NV、NV’：法向量

P、P’：第一遮光元件

R：感光區域

S：感測面

SI、SI’：斜面

TH：貫孔

U1、U2、U3、U4、U5、U6、U7、U8、U9：感光單元

SL、SL’：狹縫

X1：第一方向

X2：第二方向

A-A’：剖線

θ：入射角

具體實施方式

圖1A至圖1G是依照本發明的第一實施例的光接收器的一種制作流程的剖面示意圖。圖2是依照本發明的第一實施例的光接收器的一種上視示意圖。圖2中剖線A-A’的剖視圖可參照圖1G。圖3是波長與入射角在不同排列節距下的關系圖。圖4是圖2的光接收器的一種操作示意圖。

請先參照圖1G，光接收器100包括光感測器110以及波導120。光感測器110包括排列成陣列的多個感光區域R。光感測器110可以是一互補式金屬氧化物半導體感測器、一光電二極管陣列或其他合適的感光元件。舉例而言，光感測器110的制作方法可參照圖1A及圖1B所示的步驟。首先，提供基板112。基板112例如是P型硅基板，但不以此為限。接著，通過一離子注入制作工藝于基板112鄰近感測面S的區域中形成感光區域R。感光區域R例如是基板112中N型重摻雜區域，但不以此為限。

請再參照圖1G，波導120配置在光感測器110上且包括多個光柵122、多個光通道124以及多個光偏折元件126。光柵122適于收集入射至波導120上的光束LB。光通道124適于傳遞光柵122收集的光束LB。光偏折元件126配置在傳遞于光通道124中的光束LB的傳遞路徑上且位于感光區域R上方，且光偏折元件126適于將傳遞于光通道124中的光束LB傳遞至感光區域R。

具體地，光通道124可以是任何適于傳遞光束LB的媒介。舉例而言，光通道124可包括依序堆疊于光感測器110上的第一介電層D1、第二介電層D2以及第三介電層D3，其中第二介電層D2的折射率高于第一介電層D1以及第三介電層D3的折射率。如此一來，光束LB可經由全反射傳遞于第二介電層D2中。在本實施例中，光偏折元件126例如是一光柵，且光偏折元件126可形成在第一介電層D1上，而光柵122可形成在第三介電層D3上。

波導120的制作方法可參照圖1C至圖1G所示的步驟。請參照圖1C，于光感測器110上形成第一介電層D1。第一介電層D1可全面覆蓋基板112的感測面S，且第一介電層D1的材質可包括氧化硅，但不以此為限。接著，于第一介電層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電層D1上的多個平行排列的狹縫SL’所構成。

狹縫SL’的排列方向及其各自的延伸方向皆與光感測器110的法向量NV’垂直。舉例而言，光偏折元件126的狹縫SL’可皆沿第一方向X1排列，且狹縫SL’可皆分別沿與第一方向X1垂直的第二方向X2延伸，但不以此為限。

各光偏折元件126的狹縫SL’具有排列節距d’。排列節距d’的大小可通過調變各狹縫SL’的寬度或狹縫SL’之間的間距來控制。依據不同的設計需求，光偏折元件126的狹縫SL’可具有兩種以上的排列節距d’。例如，位于周邊的各光偏折元件126的狹縫SL’的排列節距d’可大于位于中心的各光偏折元件126的狹縫SL’的排列節距d’，但不以此為限。

請參照圖1D，在第一介電層D1上形成第二介電層D2。第二介電層D2可全面覆蓋第一介電層D1且填入光偏折元件126的狹縫SL’中。第二介電層D2的材質可包括氮化硅(Si₃N₄)，但不以此為限。

請參照圖1E，在第二介電層D2上形成第三介電層D3。第三介電層D3可全面覆蓋第二介電層D2，且第三介電層D3的材質可包括氧化硅，但不以此為限。接著，在第三介電層D3上形成光柵122。光柵122例如由形成在第三介電層D3上的多個平行排列的狹縫SL所構成。

狹縫SL的排列方向及其各自的延伸方向皆與光感測器110的法向量NV’垂直。舉例而言，光柵122的狹縫SL可皆沿第一方向X1排列，且狹縫SL可皆分別沿第二方向X2延伸，但不以此為限。

各光柵122的狹縫SL具有排列節距d。排列節距d的大小可通過調變各狹縫SL的寬度或狹縫SL之間的間距來控制。依據不同的設計需求，光柵122的狹縫SL可具有兩種以上的排列節距d。例如，位于周邊的各光柵122的狹縫SL的排列節距d可大于位于中心的各光柵122的狹縫SL的排列節距d，但不以此為限。

請參照圖1F，于光通道124形成多個貫孔TH，各貫孔TH曝露出其中一感光區域R的至少一部分。請參照圖1G，于波導120的第三介電層D3上形成多個第一遮光元件P。第一遮光元件P分別位于兩相鄰光柵122之間，且各光偏折元件126位于其中一第一遮光元件P與對應的感光區域R之間。進一步而言，第一遮光元件P位于感光區域R上方，且遮蔽感光區域R。各第一遮光元件P在感測面S上的正投影(未繪示)可遮蔽對應的光偏折元件126在感測面S上的正投影(未繪示)。如此，可避免外界光束直接照射光偏折元件126所造成的干擾。此外，各第一遮光元件P在感測面S上的正投影(未繪示)也可遮蔽對應的感光區域R在感測面S上的正投影(未繪示)，以避免外界光束直接照射感光區域R。

在本實施例中，第一遮光元件P采用導電材質，且各第一遮光元件P填入對應的貫孔TH中，而與對應的感光區域R接觸。如此，便可將感光區域R所收集的信號導出。換句話說，本實施例的第一遮光元件P除了可遮蔽外界光束對于感光區域R的干擾之外，還可用于將感光區域R所收集的信號導出。在另一實施例中，光接收器100可額外配置用以將感光區域R所收集的信號導出的接墊，而第一遮光元件P僅用以遮光。另外，第一遮光元件P的總面積與光接收器100的總面積的比值小于20％。此外，光柵122的總面積與光接收器100的總面積的比值大于或等于50％，且較佳大于或等于80％。上述面積比適用以下設置有第一遮光元件或光柵的所有實施例，于下便不再贅述。

請參照式(1)及圖1G，θ為光束LB的入射角。此處，入射角θ定義為光束LB與波導120的法向量NV的夾角。n為光通道124的等效折射率，λ為光束LB的波長。根據式(1)，在折射率n為定值下，光柵122收集的光束LB的入射角θ會與光束LB的波長λ以及狹縫SL的排列節距d相關。

在單一波長的光源照射下，請參照圖3，當折射率n以及波長λ為定值時，狹縫SL的排列節距d越大，入射角θ越大的光束LB能夠被光柵122收集。換句話說，通過使光柵122的狹縫SL具有兩種以上的排列節距d，光柵122可分別收集以不同入射角θ入射至波導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，還有助于提升光接收器100的使用范圍。

另一方面，在多種不同波長的光源照射下，可依據光束LB的波長λ設計狹縫SL的排列節距d，使光柵122分別收集以不同入射角θ入射至波導120上的不同波長λ的光束LB。如此，光接收器100在多種不同波長的光源照射下也能具有大的收光角度及使用范圍。

以圖2的架構為例，光接收器100可依據光柵122的分布劃分出多個感光單元，如感光單元U1、U2、U3、U4、U5、U6、U7、U8、U9。感光單元U1至感光單元U9排列成陣列，例如排列成三乘三陣列，但不以此為限。各感光單元涵蓋一個光柵122、一個光偏折元件126以及一個感光區域R。然而，各感光單元中光柵122、光偏折元件126以及感光區域R的數量可依需求改變，而不以圖1G繪示者為限。例如，各感光單元中光偏折元件126以及感光區域R的數量可為多個，但也不以此為限。

位于光接收器100中心的感光單元U5中的狹縫SL可具有小的排列節距d，使光柵122收集入射角θ小的光束(如圖4中的光束LB1)。鄰近感光單元U5的感光單元U2、U4、U6、U8中的狹縫SL可分別具有中的排列節距d，使光柵122收集入射角θ稍大的光束(如圖4中的光束LB2)。遠離感光單元U5的感光單元U1、U3、U7、U9中的狹縫SL可分別具有大的排列節距d，使光柵122收集入射角θ較大的光束(如圖4中的光束LB3)。如此，光接收器100可收集以不同入射角θ入射至波導120上的光束。

補充說明的是，對應不同排列節距d的感光單元也可隨機排列。或者，感光單元也可以是沿單一方向排列，而不以上述說明為限。另外，各光偏折元件126的狹縫SL’的排列節距d’與對應的光柵122的狹縫SL的排列節距d需相匹配，以利各光偏折元件126將對應的光柵122收集的光束LB傳遞至感光區域R，且避免其余的光束(例如非對應的光柵122收集的光束LB或外界光束)傳遞至感光區域R所造成的相互干擾問題。如此，光接收器100可具有較佳的訊雜比(Signal-to-Noise Ratio,SNR)。在本實施例中，狹縫SL’形成在第一介電層D1上，而狹縫SL形成在第三介電層D3上。由于第一介電層D1與第三介電層D3的材質相同，故在各感光單元中，光偏折元件126的狹縫SL’的排列節距d’例如相同于光柵122的狹縫SL的排列節距d，但不以此為限。

補充說明的是，狹縫SL(或狹縫SL’)的排列方向(或延伸方向)不限于完全相同。在其他實施例中，狹縫SL可具有兩種以上的排列方向(或延伸方向)。以圖2的架構為例，感光單元U4、U5、U6中的狹縫SL(或狹縫SL’)可皆沿第一方向X1排列，且狹縫SL可分別沿第二方向X2延伸。感光單元U1、U2、U3、U7、U8、U9中的狹縫SL可皆沿第二方向X2排列，且狹縫SL可分別沿第一方向X1延伸。如此，可增加光接收器100的收光方向。

相較于傳統光接收器采用菲涅爾透鏡搭配光電二極管的設計，本實施例的光接收器100除了可具有較大的收光角度之外，還可具有較佳的訊雜比。此外，相較于傳統光接收器的體積(寬度、長度及厚度依序為30mm、30mm及17.5mm)，本實施例的光接收器100可具有較小的體積。以四乘四陣列排列的感光單元為例，光接收器100的寬度、長度及厚度可依序為9mm、18mm及1mm。因此，本實施例的光接收器100較易整合在可攜式裝置中。在實際操作上，光接收器100可架構于智慧型手機的背蓋、智慧型手表或其他可攜式裝置中。

請參照圖4，通過將光接收器100移動至光源LS的照射范圍內，光接收器100可收集經由調變而承載資訊的光束LB1、光束LB2以及光束LB3的其中至少一者。與光接收器100耦接的后端處理線路(未繪示)可確認偵測到光束的感光單元的數量并確認偵測到光束的感光單元的位址，且可利用諸如轉阻放大器(transimpedance amplifier,TIA)等元件將感光區域R所產生的光電流信號轉成電壓信號并將電壓電信號放大。在此，轉阻放大器的數量可小于或等于感光區域R(或感光單元)的數量。

后端處理線路可依據偵測到光束的感光單元的數量決定是否開始下載資訊。舉例而言，可設定為在偵測到光束的感光單元的數量大于或等于2時令光接收器100開始下載資訊。當偵測到光束的感光單元的數量為0時，后端處理線路可經由使用者界面提醒使用者改變光接收器100的位置。當偵測到光束的感光單元的數量非0且大于或等于1時，則后端處理線路可接續判斷偵測到光束的感光單元的數量是否大于或等于2。若偵測到光束的感光單元的數量等于1，則后端處理線路可經由使用者界面提醒使用者是否改變光接收器100的位置。若使用者同意以單一感光單元進行數據傳輸，則后端處理線路可令光接收器100開始下載資訊。若使用者欲使用多個感光單元同時進行數據傳輸，則改變光接收器100的位置。在使用者改變光接收器100的位置后，后端處理線路再次進行上述判斷。若后端處理線路偵測到光束的感光單元的數量大于或等于2，則可令光接收器100開始下載資訊。

以下通過圖5至圖9說明光接收器的其他實施型態，其中相同的元件以相同的標號表示，于下便不再贅述相同元件的材質、配置關系及功效。圖5至圖9分別是依照本發明的第二實施例至第六實施例的光接收器的剖面示意圖。

請參照圖5，光接收器200相似于圖1G的光接收器100。兩者的主要差異在于：光接收器200還包括多個第二遮光元件210。第二遮光元件210位于波導120與光感測器110之間，且各第二遮光元件210位于其中一光柵122下方。第二遮光元件210適于將直接穿透光柵122且朝光感測器110傳遞的光束遮蔽。第二遮光元件210可以是單層或多層金屬層，但不以此為限。在另一實施例中，第二遮光元件210可以由太陽能電池元件取代。如此，太陽能電池元件可吸收雜光且增加電池續航力。

請參照圖6，光接收器300相似于圖1G的光接收器100。兩者的主要差異在于：在波導120’中，光偏折元件126’例如是一反射層。光通道124’具有位于感光區域R上的多個斜面SI，且光偏折元件126’覆蓋斜面SI，以將傳遞于光通道124’中的光束反射至感光區域R。

在本實施例中，光偏折元件126’的材質可采用具導電特性的反光材質，使光偏折元件126’除了可用于反射光束之外，還可用于將信號導出。如此，光接收器300可省略圖1G的第一遮光元件P。

此外，光偏折元件126’在感測面S上的正投影(未繪示)可遮蔽感光區域R在感測面S上的正投影(未繪示)，以避免外界光束直接照射到感光區域R。換句話說，本實施例的光偏折元件126’還可作為遮光元件，遮蔽外界光束對于感光區域R的干擾。

光通道124’還可進一步具有多個斜面SI’。各斜面SI’與對應的斜面SI分別配置在對應的光柵122的相對兩側。光偏折元件126’還可覆蓋斜面SI’。配置在斜面SI’上的光偏折元件126’可將朝斜面SI’傳遞的光束反射，使光束朝斜面SI傳遞。被朝斜面SI傳遞的光束可經由配置在斜面SI上的光偏折元件126’反射至感光區域R。

在一實施例中，光接收器300也可包括圖5的第二遮光元件210，以將直接穿透光柵122且朝光感測器110傳遞的光束遮蔽。

請參照圖7，光接收器400相似于圖1G的光接收器100。兩者的主要差異在于：光接收器400的光感測器110’包括基板112’、多個光電二極管114以及重布線層(Redistribution Layer,RDL)116。基板112’可以是玻璃基板或是塑膠基板。光電二極管114配置在基板112’下，且光電二極管114所在的區域即感光區域R。光電二極管114適于將接收到的光信號轉成電信號。重布線層116位于光電二極管114與基板112’之間，其適于將電信號導出。因此，本實施例的波導120”可以省略制作圖1F的貫孔TH以及用以將信號導出的元件(如圖1G的第一遮光元件P)。

請參照圖8，光接收器500相似于圖7的光接收器400。兩者的主要差異在于：光接收器500進一步包括多個第一遮光元件P’。第一遮光元件P’配置在波導120”的第三介電層D3上且分別位于兩相鄰光柵122之間。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’也遮蔽感光區域R(光電二極管114所在的區域)，以避免外界光束直接照射感光區域R。在本實施例中，第一遮光元件P’僅用以遮光，可以不用將感光區域R所收集的信號導出，因此光接收器500的光通道124可以省略制作圖1F的貫孔TH，且第一遮光元件P’可不與感光區域R接觸。

此外，光接收器500還進一步包括圖5的第二遮光元件210。第二遮光元件210配置在光感測器110’上且位于波導120”與光感測器110’之間，其中各第二遮光元件210位于其中一光柵122下方。第二遮光元件210適于將直接穿透光柵122且朝光感測器110傳遞的光束遮蔽。第二遮光元件210可以是單層或多層金屬層，但不以此為限。

在另一實施例中，光接收器500也可省略第一遮光元件P’與第二遮光元件210的其中一者。在又一實施例中，第一遮光元件P’與第二遮光元件210的其中至少一者可以由太陽能電池元件取代。

請參照圖9，光接收器600相似于圖6的光接收器300。兩者的主要差異在于：光接收器600的光感測器110’采用圖7的架構。針對光感測器110’的說明請參照圖7的相關內容，于此不再贅述。

圖10是依照本發明的一實施例的一種光收發器的剖面示意圖。請參照圖10，光收發器10包括光接收器12以及光學上傳裝置14。光接收器12可采用圖1G中光接收器100的架構，但不以此為限。在其他實施例中，光接收器12也可采用圖5至圖9中光接收器200、300、400、500、600的架構。光學上傳裝置14安裝于光接收器12上。光學上傳裝置14例如通過發出光束以傳輸信號。光學上傳裝置14所發出的光束較佳具有高指向性。舉例而言，光學上傳裝置14可包括紅外光發光二極管，且光學上傳裝置14所發出的光束為紅外光，但不以此為限。

綜上所述，在本發明的光接收器中，波導具有多個光柵。利用光柵具有入射角度相依性的特性，波導可通過不同光柵來收集以不同入射角入射至波導上的光束，再經由光通道以及光偏折元件將光束傳遞至光感測器。因此，本發明的光接收器以及應用此光接收器的光收發器可具有大的收光角度。在一實施例中，通過改變光柵中狹縫SL的排列方向，還可進一步提升光接收器以及應用此光接收器的光收發器的收光方向。

雖然結合以上實施例揭露了本發明，然而其并非用以限定本發明，任何所屬技術領域中熟悉此技術者，在不脫離本發明的精神和范圍內，可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護范圍應以附上的權利要求所界定的為準。