CN107533196A - 三维3d光子芯片到光纤插入器 - Google Patents

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Abstract

一种制造光耦合器件的方法，包括：在衬底平台(1450)上形成波导掩膜层(1470)，其中该波导掩膜层(1470)包括开口阵列(1471)，该开口阵列(1471)包括第一端和与该第一端相对的第二端，将该衬底平台(1450)浸入到包含离子的盐熔体(1480)中，以通过离子扩散工艺在该衬底平台(1450)中形成波导阵列，以及控制浸入速率，使得该离子的扩散深度作为从该第一端到该第二端的方向上的距离的函数而变化，其中该波导阵列沿着从该第一端到该第二端的方向延伸。

Description

三维3D光子芯片到光纤插入器
相关申请的引用
本申请要求于2015年5月4日提交的申请号为14/703,229的美国专利申请的优先权，其全部内容结合在本申请中。
背景技术
光纤已被广泛应用于光信号传播，尤其用于提供高速通信链路。利用光纤光学的光链路提供了优于电连接的各种优势，例如，相对大的带宽、相对高的抗噪声能力、相对低的功散，和相对最小的串话干扰。光纤携带的光信号可以由包括集成电路在内的各种光学和/或光电器件来处理。
光子集成在光学系统中正发挥与日俱增的重要作用。光子集成可以提供各种优点，例如，相对更小占用面积、更高端口密度、降低功耗，和降低成本，这些可能使得光子集成成为构建诸如波分复用(WDM)应答器、收发器和其他类型的设备的下一代集成光学器件的前景技术。光子集成要求光波导和光纤之间的光耦合来实现光信号输入和/或输出，例如，将光纤的端部耦合到光子集成电路(PIC)的表面。这种接口耦合是降低集成光学系统中光信号损耗的关键技术。
发明内容
在一个实施例中，本公开包括一种制造光耦合器件的方法，包括：在衬底平台的表面上形成波导掩膜层，其中该波导掩膜层包括开口阵列，该开口阵列包括第一端和与该第一端相对的第二端；将该衬底平台浸入到包含离子的盐熔体中，以通过离子扩散工艺在该衬底平台中形成波导阵列，其中该波导阵列对应于该开口阵列；以及控制浸入速率，使得该离子的扩散深度作为从该第一端到该第二端的方向上的距离的函数而变化，其中该波导阵列沿着从该第一端到该第二端的方向延伸。
在另一个实施例中，本公开包括一种光耦合器件，包括：衬底平台，包括第一表面、与该第一表面相邻的第二表面、以及与该第一表面相邻并与该第二表面相对的第三表面；以及波导阵列，该波导阵列包括第一波导，设置于该衬底平台中，并沿着该第二表面向该第三表面延伸，其中该波导阵列对应于由离子交换工艺提供的该衬底平台中的离子交换通道阵列，其中该第一波导包括锥形结构，其从该第二表面到该第三表面，相对于该第一表面，垂直和横向上逐渐变小。
在又一个实施例中，本公开包括一种平面光波电路(planar lightwave circuit，PLC)插入器，包括：输入端口阵列，该输入端口阵列包括第一输入端口并被配置为耦合至包括第一光纤的平面内光纤阵列；以及经由该第一输入端口接收来自该第一光纤的光信号；输出端口阵列，该输出端口阵列包括第一输出端口并被配置为耦合至PIC边缘耦合阵列；以及离子交换波导阵列，该离子交换波导阵列包括第一离子交换波导并形成于衬底平台中，其中每个离子交换波导包括耦合至该输入端口之一的第一端和耦合至该输出端口之一的第二端，其中该第一离子交换波导被耦合至该第一输入端口和该第一输出端口，并且包括从该第一端到该第二端横向和垂直地逐渐变小的横截面面积，以及其中该第一离子交换波导被配置为随着光信号朝向该第一输出端口传播，横向和垂直地逐渐减小该光信号的模式尺寸，以匹配该PIC边缘耦合阵列的模式尺寸。
通过下面的详细描述，结合附图和权利要求，将更清楚地理解这些和其他特征。
附图说明
为了更全面地理解本公开，结合附图和详细描述，现参考以下简要描述，其中相同的附图标记表示相同的部分。
图1示出了说明单模光纤(single-mode fiber，SMF)和硅(Si)波导的相对场尺寸的光功率强度分布。
图2是示出光纤阵列与PIC的输入/输出(input/output，I/O)阵列之间的间距不匹配的示意图。
图3是采用片上模式转换器的边缘耦合器件的示意图。
图4是示出模态有效折射率随波导宽度变化而变化的曲线图。
图5是采用插入器的边缘耦合系统的示意图。
图6是根据本公开实施例的采用3D PIC插入器的边缘耦合系统的示意图。
图7是根据本公开实施例的3D插入器的示意图。
图8是示出离子交换工艺的示意图。
图9是离子交换单模波导的强度分布图。
图10是示出用于进行离子交换工艺的方法的示意图。
图11是离子交换玻璃衬底的横截面图。
图12是示出用于将离子交换波导埋入玻璃衬底的方法的示意图。
图13是包括埋入的离子交换波导的玻璃衬底的横截面图。
图14是示出用于制造3D PIC插入器的方法的示意图。
图15是根据本公开实施例的用于制造3D PIC插入器的方法的流程图。
具体实施方式
首先应理解，尽管下面提供了一个或多个实施例的描述性实施方式，但是可以使用任意数量的技术来实现所公开的系统和/或方法，无论其是当前已知的还是随后开发的。本公开不应限于下面说明的描述性实施方式、附图和技术，包括本文示出和描述的设计和实施方式，但是可在所附权利要求的范围以及它们的等同物的全部范围内进行修改。
PIC是采用光而非电流作为运行基础的新兴技术的一部分。由于Si波导芯与二氧化硅(SiO2)包层之间的折射率对比度大，绝缘体上硅(SOI)平台是高密度集成光学的前景平台。然而，高折射率对比度的缺点之一是SOI波导模式的尺寸与SMF的尺寸之间的不匹配，其向PIC芯片提供输入和输出。例如，SOI波导可以具有小于1微米(μm)的亚微米尺寸范围的横截面，而SMF可以具有几十μm的横截面。因此，光纤与SOI波导电路或PIC之间的光信号的有效耦合成为挑战。
本文公开了通过在单个芯片上实现3D模式转换和间距适配来改善PIC边缘耦合效率的实施例。所公开的实施例采用3D PIC插入器将光纤阵列耦合到PIC边缘耦合阵列。所公开的PIC插入器包括以阵列配置布置的多个波导。3D模式转换包括垂直模式尺寸转换和横向模式尺寸转换。垂直模式尺寸转换是指在垂直于晶片平面的方向上改变波导的高度或厚度以适应垂直方向上的光纤的模式尺寸。横向模式尺寸转换是指在平行于晶片平面的方向上改变波导的宽度以适应横向方向上的光纤的模式尺寸。例如，每个波导具有从一端到另一端在宽度和高度上逐渐减小的3D锥形结构，使得较小端与PIC片上波导的模式尺寸匹配，较大端与光纤的模式尺寸相匹配。此外，波导被布置成扇入或扇出配置以匹配光纤阵列和PIC边缘耦合阵列之间的间距差。所公开的3D PIC插入器是通过采用PLC技术构建的。所公开的实施例采用离子交换工艺，通过在诸如富钠玻璃衬底的衬底平台上形成波导掩模层，以及以控制的速率将衬底平台浸入诸如硝酸银(AgNO3)化合物的盐熔体中，来制造3D PLC插入器。波导掩模层以对应于通过离子交换工艺形成波导的位置的掩模开口阵列进行图案化。每个掩模开口以锥形宽度进行图案化，使得通过离子交换工艺形成的波导可以具有锥形宽度。可以控制浸入速率，使得衬底平台的不同部分充分暴露于盐熔体不同的时间量。通过改变暴露于盐熔体的部分的时间量，不同量的离子可以通过掩模开口扩散到衬底平台中，例如，用盐熔体中的银离子(Ag+)替换玻璃衬底中的钠离子(Na+)，从而在具有不同深度或高度的玻璃衬底中产生离子交换通道。因此，可以通过控制衬底平台浸入盐熔体中的速率来制造具有期望锥形高度的波导。用于产生锥形高度的一些其它机制可以包括控制盐熔体的温度梯度和/或离子浓度。
图1示出了说明SMF和Si波导的相对场尺寸的光功率强度分布110和120。在图110和图120中，x轴表示以μm为单位的水平宽度，y轴表示以μm为单位的垂直高度。图110示出了SMF的横截面中的强度分布图案111。图120示出了例如在横向电场(transverse-electric，TE)平面中的Si波导的横截面中的强度分布图案121。如图110和图120所示，强度分布图案111延伸约10μm的宽度113和约10μm的高度114，而强度分布图案121具有明显较小的宽度123和高度124尺寸。例如，典型的SMF可以产生具有约500纳米(nm)的宽度和约220nm的高度的强度分布。强度分布图案111对应于SMF的模式尺寸。强度分布图案121对应于典型Si波导的模式尺寸。如图所示，SMF和Si波导之间存在显著的模式尺寸不匹配。因此，将光纤耦合到Si波导而不进行模式尺寸转换可能导致高的光损耗。
图2是示出光纤阵列210与PIC 220的输入/输出(I/O)阵列之间的间距不匹配的示意图。光纤阵列210包括以阵列配置布置的多个光纤211。光纤211可以是SMF、多模光纤(MMF)或任何其它类型的光纤。如图所示，光纤211布置成使得光纤211的芯中心以大约恒定的距离间隔开，其中两个光纤211之间的中心到中心的间隔被称为阵列间距213。光纤阵列210可以用于将大量光纤连接到诸如PIC 220的高度集成的PIC的应用中。工业中一些常用的光纤阵列可以具有约125μm的阵列间距。
PIC 220包括设置在PIC 220的平面上的PIC边缘耦合阵列222，该PIC 220的平面位于与PIC 220的表面相邻的位置。PIC边缘耦合阵列222包括以与光纤阵列210中相似的阵列配置布置的多个波导221。PIC边缘耦合阵列222用于耦合光信号输入和输出PIC 220。例如，当在光学系统中采用PIC 220时，PIC边缘耦合阵列222可以用于耦合到光纤阵列210以在PIC 220和光学系统的其它部分之间传送光信号。然而，PIC 220的尺寸小于光纤阵列210的尺寸，并且波导221的横截面尺寸小于光纤211的横截面尺寸。此外，波导223密集地封装在PIC边缘耦合阵列222中。因此，PIC边缘耦合阵列222具有明显小于阵列间距213的阵列间距223。例如，一些PIC边缘耦合器可能具有约20μm的阵列间距，而光纤阵列210的阵列间距约为125μm。因此，阵列间距213可能比阵列间距223大十倍或更多倍。因此，当在光纤阵列210和PIC 220之间耦合光信号时，阵列间距213与阵列间距223之间的较大间距不匹配可能会限制耦合效率。
用于提高耦合效率的各种类型的PIC耦合系统和方法已经被开发出来。存在两种主要类型的耦合技术：平面内耦合和平面外耦合。平面内耦合机制的一个示例是边缘耦合，适用于宽带波长，且对极化不敏感。平面内模式转换器可以通过将光纤对准PLC的边缘，将平面内光纤(例如光纤211)耦合到设置在PLC(例如PIC 220)的平面上的亚微米波导(例如波导221)，其中平面内是指平行于芯片表面的平面或PIC平面。在C.Kopp等人的“硅光子电路：有关CMOS集成、光纤耦合和封装”，电气和电子工程师学会(IEEE)，量子电子学选题期刊，第17卷，第3期，2010年10月7日中描述了片上模式转换器的示例，其通过引用并入本文。
图3是采用片上模式转换器330的边缘耦合系统300的示意图。系统300包括PIC320和光纤310。光纤310可以是SMF或透镜光纤。光纤310与PIC 320在平面上对准，并且在PIC 320的边缘处耦合到PIC 320。模式转换器330设置在PIC 320的晶片平面324上，并且位于其中光纤310耦合到PIC 320的PIC 320的边缘附近的位置。模式转换器330包括倒锥形331和覆盖倒锥形331的表面的覆加的包层332，通过倒锥形331包围扩展模式的模式限制波导。倒锥形331的特征在于产生与光纤310的模式相匹配的放大光学模式的纳米尖端。倒锥形331可以由Si构成，覆加的包层332可以由富硅二氧化硅、氧化硅(SiOx)或具有约1.46至约1.72之间的有效折射率的任何其它合适的材料构成。模式转换器330可以通过采用基于蚀刻的技术来制造。通过采用基于蚀刻的技术可以形成横向锥形，其中横向锥形指相对于晶片平面324，在水平或横向方向上具有逐渐减小的宽度的锥形。然而，相对于晶片平面324，在垂直方向上具有逐渐减小的高度或厚度的垂直锥形可能不能可靠地形成在后道工序(BEOL)，因为许多电焊盘可以位于PIC芯片的表面以用于电气集成。
实现模式转换器的可替代方法是在诸如晶片平面324的上包层上直接制造诸如倒锥形331的倒锥形而不需要增加诸如覆加的包层332的模式转换波导。这样，模式转换器可以通过前道工序(front end of line，FEOL)处理形成。因此，模式转换器可能不会影响PIC芯片上的电气集成。然而，这种方法仅在水平方向上提供模式扩展，却并不能在水平和垂直方向上均提供模式扩展。例如，PIC边缘附近的扩展模式仅在水平方向上可以具有与光纤(例如光纤310)的模式尺寸相当的模式尺寸。因此，模式转换器可以减少一些耦合损耗。
图4是示出模态有效折射率随波导宽度变化而变化的曲线图400。在曲线图400中，x轴表示以μm为单位的波导宽度，y轴表示一些恒定单位的模态有效折射率。曲线410示出作为Si线的宽度的函数，诸如倒锥形331的Si线的模态有效折射率的变化。模态有效折射率描述了光信号传播方向的速度和相位变化以及波导芯与包层的折射率对比度。模态有效折射率决定了传播模式的模场尺寸。如曲线410所示，模态有效折射率随着宽度的减小而减小。例如，当Si线的尖端具有小于约150nm的宽度(如区域411所示)时，有效折射率约为1.5，其接近于二氧化硅纤维模式折射率。这样，Si线的尖端产生与波导和光纤两者匹配的模场直径。因此，当将光纤耦合到Si线的尖端时，可以通过设计区域411中的Si线尖端宽度来减小耦合损耗。
一些例如PIC 220的PIC可以在具有多个输入和/或多个输出的单个芯片上集成多个功能。因此，可能需要单个PIC与大量诸如光纤211和310的光纤或诸如光纤阵列210的光纤阵列进行接口连接。由于PIC结构紧凑，所以在单个PIC上集成诸如模式转换器330的多模转换器可能由于PIC边缘间隔限制而具有挑战性。因此，一些边缘耦合系统采用插入器将光纤阵列耦合到包括多输入和/或输出波导的PIC。在“用于边缘耦合到硅PIC的PLC换位器”，PLC连接有限责任公司，2013年5月8日(“PLC-换位器”)中描述了插入器的示例，其通过引用并入本文。
图5是采用插入器550的边缘耦合系统500的示意图。该系统包括类似于PIC 220的PIC 520、类似于光纤阵列210的光纤阵列510、以及插入器550。例如，PIC 520包括类似于PIC边缘耦合阵列222的PIC边缘耦合阵列522。PIC边缘耦合阵列522包括类似于波导221的多个波导521。光纤阵列510包括类似于光纤211和310的多个光纤511。插入器550包括第一表面561和与第一表面561相对的第二表面562。插入器550位于PIC 520和光纤阵列510之间，使得第一表面561耦合到光纤阵列510，第二表面562耦合到PIC 520。插入器550还包括设置在插入器550的晶片平台上的多个波导551。例如，插入器550的晶片平台可以由诸如SiO2的材料构成，其具有比PIC 520的晶片平台更低的折射率对比度，并且波导551可以具有比PIC 520上的波导521的尺寸更大的尺寸。波导551被定位成使得它们从第一表面561延伸到第二表面562。波导551被布置成扇形配置以在第一表面561处提供较大间距513，例如约125μm，并在第二表面562处提供较小间距523，例如约20μm，其中较大间距513类似于光纤阵列510的阵列间距，较小间距523类似于PIC边缘耦合阵列522的阵列间距。
在实施例中，通过采用PLC技术制造插入器550。波导551可以被制造成使得每个波导551具有锥形结构，其在光信号传播的轴线上逐渐变小，以提供除了间距适配之外的模式尺寸转换。然而，诸如PLC-换位器中描述的现有PLC技术，仅限于二维(2D)配置。因此，可以制造波导551以在水平方向上提供宽度转换和间距适配，但是可能不能在垂直方向上提供高度转换。如图所示，沿着线501的第一表面561附近的波导551的横截面面积531具有较宽的宽度533，例如约125μm，沿着线502的第二表面562附近的波导551的横截面面积532具有较窄的宽度534，例如约20μm，但两个横截面面积531和532具有相同的高度535。
图6是根据本公开实施例的采用3D插入器650的边缘耦合系统600的示意图。系统600类似于系统500，但系统600采用3D插入器650来提供3D模式尺寸转换，而非插入器550中提供2D模式尺寸转换。例如，系统600包括类似于PIC 520的PIC 620、类似于光纤阵列510的光纤阵列610、以及位于PIC 620和光纤阵列610之间的3D插入器650。3D插入器650包括用于在光纤阵列610和PIC 620之间提供间距适配以扇形配置布置的波导651阵列。例如，波导651被定位成使得第一表面661处的阵列间距613大于第二表面662处的阵列间距623，其中阵列间距613类似于光纤阵列610的阵列间距，阵列间距623类似于PIC 620的阵列间距。如图所示，3D插入器650中采用的扇形配置类似于插入器550中采用的扇形配置。然而，波导651阵列的配置可以由本领域普通技术人员可替代地布置以提供间距适配。
每个波导651具有锥形结构，其在例如从第一表面661到第二表面662的光信号传播的轴线上的宽度和高度逐渐减小，以提供3D模式转换。如图所示，当与沿着线602的第二表面662附近的波导651的横截面面积632相比时，沿着线601的第一表面661附近的波导651的横截面面积631具有更大的高度和宽度。例如，波导651具有与第一表面661附近的诸如光纤211、310和511的光纤类似的模式宽度和模式高度，以及与第二表面662附近的诸如波导221和521的Si光子波导类似的模式宽度和模式高度。因此，当与仅提供模式宽度转换的插入器550相比时，3D插入器650可以提高PIC耦合效率。类似于插入器550，3D插入器650可以通过采用PLC技术来制造。然而，为了制造具有3D锥形结构的波导651，可以采用基于离子交换的制造工艺，其将在下文进行更全面的讨论。
图7是根据本公开实施例的3D插入器700的示意图。3D插入器700类似于3D插入器650，并且提供相比3D插入器650更详细的透视图。3D插入器700可以用于类似于系统500和600的边缘耦合系统中，以在诸如光纤阵列210、510和610的光纤阵列以及诸如PIC 220、220和620的PIC之间提供3D模式转换。3D插入器700包括设置在诸如二氧化硅玻璃衬底的玻璃衬底750中的类似于波导651的多个波导751。每个波导751具有在从波导751的第一端741到第二端742的光传播方向上的宽度和高度逐渐变小的结构，以便提供3D模式转换。如图所示，波导751被布置成使得波导751的第一端741位于第一表面761附近，用于与诸如光纤阵列210、510和610的光纤阵列接口连接，并且波导751的第二端742位于第二表面762附近，用于与诸如PIC 220、520和620的PIC接口连接。除了3D模式转换之外，波导751可以布置成类似于3D插入器650中的扇形配置的扇形配置，以提供间距适配。例如，波导751可以在第一表面761处间隔更远以匹配诸如阵列间距213的光纤阵列的阵列间距，并在第二表面762处间隔更近以匹配诸如阵列间距223的PIC的阵列间距。
在实施例中，3D插入器700还包括位于第一表面761处的第一光学端口和位于第二表面762处的第二光学端口。第一光学端口用于将波导751的第一端741耦合到光纤阵列。第二光学端口用于将波导751的第二端742耦合到PIC。因此，当第一光学端口是输入端口并用于接收来自光纤阵列的光信号时，波导751随着光信号沿着波导751向下传播到第二光学端口而逐渐减小光信号的光模，以匹配PIC的波导模式。相反，当第二光学端口是输入端口并用于接收来自PIC的光信号时，波导751随着光信号沿着波导751向下传播到第一光学端口而逐渐增加光信号的光模式尺寸，以匹配光纤阵列的光纤模式。
图8是示出离子交换工艺800的示意图。离子交换工艺800可用于制造波导，例如,波导651和751。在离子交换工艺800中，将玻璃衬底850浸入例如坩埚或容器中的盐熔体880中。例如，玻璃衬底850是包含Na+离子891的富钠玻璃衬底，盐熔体是包含Ag+离子892的AgNO3化合物。当玻璃衬底850浸入盐熔体880中时，Ag+离子892扩散到玻璃衬底850中并替换玻璃衬底850中的Na+离子891。Ag+离子892向玻璃衬底850的扩散增加了折射率，并且如果将离子扩散限制在通道中，则在合适的条件下导致光波导。
图9是离子交换单模波导的强度分布图900。例如，离子交换波导通过采用类似于离子交换工艺800的离子交换工艺来制造。在图900中，x轴表示以某些任意恒定单位的水平宽度，y轴表示以某些任意恒定单位的垂直高度。图900示出了离子交换波导的横截面中的强度分布图案910。需要说明的是，由离子交换工艺制造的波导的横截面形状可以根据用于离子交换工艺的材料和掩模的开口而变化。例如，圆形强度分布图案910可以对应于在诸如玻璃衬底850的玻璃衬底中通过将Ag+离子与Na+离子交换而制造的离子交换波导。
图10是示出用于进行离子交换工艺的方法1000的示意图。当制造诸如3D插入器650和700的3D插入器时，实施方法1000。方法1000采用与离子交换工艺800类似的机制。方法1000从将玻璃衬底1050浸入盐熔体1080中开始。玻璃衬底1050类似于玻璃衬底850，并包含Na+离子1091。盐熔体1080类似于盐熔体880，并包含Ag+离子1092。玻璃衬底1050示出了沿着线701的玻璃衬底750的一部分的横截面。例如通过使用光刻工艺，在玻璃衬底1050的表面1052处，用波导掩模1070对玻璃衬底1050进行图案化。波导掩模1070包括多个开口1071。例如，波导掩模1070具有类似于插入器650和700的图案，其中开口1071可对应于将经由离子交换工艺形成诸如波导651和751的波导的位置。如图所示，当玻璃衬底1050浸入盐熔体1080中时，玻璃衬底1050和盐熔体1080之间的离子浓度差异导致离子交换过程，在离子交换过程中Ag+离子1092扩散到玻璃衬底1050中，Na+离子1091扩散到盐熔体1080中。因此，玻璃衬底1050中的Na+离子1091被Ag+离子1092替换。Ag+离子1092向玻璃衬底1050的扩散增加了Ag+离子1092所在区域的折射率，从而在离子交换区域形成诸如波导651和751的波导。应当注意，例如通过某种离子注入工艺，方法1000可以可替代地将Ag+离子1092注入到玻璃衬底1050中，而不是将玻璃衬底1050浸入盐熔体1080中。此外，离子交换工艺可以采用其它类型的离子源用于盐浴和/或采用包括不同类型的离子的玻璃衬底。
图11是离子交换玻璃衬底1150的横截面图。离子交换玻璃衬底1150的横截面图对应于沿着线701的玻璃衬底750的横截面。离子交换玻璃衬底1150通过采用类似于工艺800和方法1000的离子交换工艺制造。例如，离子交换玻璃衬底1150对应于应用方法1000之后的玻璃衬底1050。例如，离子交换玻璃衬底1150利用具有类似于开口1071的开口1171的类似于波导掩模1070的波导掩模1170进行光掩模。如图所示，玻璃衬底1150包括对应于由离子交换工艺产生的离子形成的多个离子交换区域1110。在实施例中，离子交换玻璃衬底1150是富钠玻璃衬底，离子交换工艺采用富银盐熔体，因此离子交换区域1110具有比Na+离子更高浓度的Ag+离子。离子交换区域1110对应于玻璃衬底1150中可以通过离子交换工艺形成的离子交换波导。
图12是示出用于将离子交换波导1210埋入玻璃衬底1250的方法1200的示意图。方法1200用于制造例如3D插入器650和700的3D插入器的制造工艺中。该制造工艺可以从方法1000中描述的离子交换工艺开始。方法1200在完成方法1000之后开始。玻璃衬底1250包括离子交换波导1210。玻璃衬底1250类似于玻璃衬底1150，离子交换波导1210对应于离子交换区域1110。然而，在将波导掩模1170从玻璃衬底1150移除之后，玻璃衬底1250对应于玻璃衬底1150。如图所示，离子交换波导1210形成在玻璃衬底1250的第一表面1252附近。在方法1200中，跨过玻璃衬底1250施加电场1205以将离子交换的波导1210更深地埋入玻璃衬底1250中。垂直于离子交换波导1210施加电场1205。例如，可以在玻璃衬底1250的第一表面1252上放置正极1231，并在相对的第二表面1253上放置负极1232。需要说明的是，可以通过附加的包层沉积或涂覆，在离子交换波导1210上形成上包层(未示出)。
图13是包括埋入的离子交换波导1310的玻璃衬底1350的横截面图。离子交换玻璃衬底1350的横截面图对应于沿着线701玻璃衬底750的横截面。首先，离子交换波导1310通过采用诸如工艺800和方法1000的离子交换工艺形成在玻璃衬底1350中。随后，离子交换波导1310通过采用与方法1200中描述的类似的机制更深地埋入玻璃衬底1350中。例如，在方法1200中施加电场之后，离子交换波导1310对应于离子交换波导1210。如图所示，离子交换波导1310被掩埋在玻璃衬底1350远离离子交换波导1310首先由离子交换工艺形成的表面。
图14是示出根据本公开实施例的用于制造例如3D插入器650和700的3D插入器的方法1400的示意图。在3D插入器的设计和/或制造期间实施方法1400。方法1400从在玻璃衬底1450的第一表面上利用类似于波导掩模1070和1170的波导掩模1470通过光刻法对诸如玻璃衬底750、850和1050的玻璃晶片1450进行掩模开始。玻璃衬底1450包括沿着第一边缘1461连接到第一表面的第二表面(未示出)和沿着第二边缘1462连接到第一表面的第三表面(未示出)。第二表面与第三表面相对。如图所示，波导掩模1470具有以类似于3D插入器650中的波导651的图案布置的开口阵列1471。例如，相比第二边缘1462，开口1471在第一边缘1461附近被图案化以进一步间隔开并且具有更宽的宽度。如上所述，这种图案可以在诸如工艺800和方法1200的离子交换过程中产生具有锥形宽度和减小间距的离子交换波导。因此，通过在产生波导掩模1470时根据预先确定的间距减小和预先确定的模式宽度转换来设计开口1471，可以实现间距适配和模式宽度转换。
在方法1400中，通过控制玻璃晶片1450浸入诸如盐熔化880和1080的盐熔体1480中的速率来实现模式高度转换。例如，玻璃晶片1450可以是包含Na+离子的富钠玻璃衬底，盐熔体1480可以是包含Ag+离子的AgNO3化合物。当开口1471暴露于盐熔体1480中的离子较长时间时，较大量的Ag+离子可能扩散到玻璃晶片1450中，从而导致离子更深地扩散到玻璃晶片1450中。这样，由离子交换区域形成的波导可以具有更大的厚度或高度。因此，通过以足够慢的速率将玻璃晶片1450浸入，使得开口1471的不同部分充分暴露于Ag+离子不同的时间量，则由离子交换工艺形成的波导可以具有锥形高度或厚度。例如，当在从第二表面到第三表面的方向上将玻璃晶片1450浸入盐熔体1480中时，相比第二边缘1462，开口1471具有更宽宽度和更大阵列间距的第一边缘1461暴露于Ag+离子的持续时间更长。因此，由离子交换区域形成的波导可以具有锥形宽度以及锥形高度的3D锥形结构。需要说明的是，浸入速率可以取决于各种因素，例如离子源的离子扩散系数、盐熔体的温度、以及盐熔体中离子源的浓度。在完成方法1400之后，离子交换的波导可以通过采用类似于方法1200描述的机制而更深地埋入远离第一表面的玻璃衬底1450中。例如，在将离子交换波导更深地埋入玻璃衬底1450之后，离子交换波导从第二表面延伸到第三表面。
图15是根据本公开实施例的用于制造诸如3D插入器650和700的3D插入器的方法1500的流程图。在设计和/或制造3D插入器时实施方法1500。方法1500类似于方法1400。在步骤1510，在诸如玻璃衬底1050的衬底平台的表面上形成诸如波导掩模1070、1170和1470的波导掩模层。例如，衬底平台可以由富含钠的玻璃衬底构成。波导掩模层具有诸如开口1071、1171和1471的开口阵列。开口阵列具有第一端和第二端。开口阵列允许将离子转移到衬底平台中以形成波导。例如，类似于3D插入器650上的波导651或玻璃晶片1450上的开口1471，开口阵列可以具有从第一端到第二端的方向上的扇入的图案。此外，开口阵列可以具有在从第一端到第二端的方向上减小的锥形宽度。
在步骤1520，将衬底平台浸入诸如盐熔体880和1480的盐熔体中，以通过离子扩散工艺在衬底平台中形成诸如波导651、751、1210和1310的波导阵列。盐熔体为离子扩散过程提供离子源。例如，盐熔体可以是包含Ag+离子的AgNO3化合物。衬底平台浸入到盐熔体中，使得其中形成有波导掩模层的衬底平台的表面与盐熔体接触，从而引起离子扩散过程，其中盐熔体中的Ag+离子通过开口扩散到衬底平台。例如，当衬底平台是富钠玻璃衬底时，如离子交换工艺800和方法1000所述，玻璃衬底中的Na+离子的一部分被Ag+离子替换。在Ag+离子替换Na+离子之后，玻璃衬底中的离子交换区域或通道可以具有类似于离子交换玻璃衬底1150的横截面。钠-银离子交换过程增加了离子交换区域处的玻璃衬底的折射率，从而形成波导。需要说明的是，离子交换工艺可以采用适合于离子交换工艺的其他类型的离子源，例如铯(Cs+)、铷(Rb+)、锂(Li+)、钾(K+)和铊(TI+)。
在步骤1530，控制浸入速率使得离子的扩散深度作为从第一端到第二端的方向上的距离的函数而变化。例如，当衬底平台暴露于盐熔体较长的时间时，较大量的离子从盐熔体扩散到玻璃衬底中，从而导致离子交换区域在垂直于波导掩模层所形成的衬底平台的表面具有更大的深度或更大的高度。因此，由离子交换工艺形成的波导的厚度或垂直高度可以通过调整衬底平台浸入盐熔体中的速率来改变。例如，为了制造类似于3D插入器650的横向和垂直方向上逐渐减小的波导，波导掩模层上的开口可以具有朝向第二端逐渐减小的宽度，并且衬底平台可以浸入盐熔体中使得开口阵列的第一端首先进入盐熔体，并且可以调节浸入速率使得波导的垂直高度在从第一端到第二端的方向上逐渐变小，类似于方法1400。
可以通过采用各种机制来控制离子扩散深度。在实施例中，可以通过控制盐熔体的温度梯度来控制离子扩散深度，其中更高的温度增加了离子扩散速率。例如，可以调节盐熔体，使得温度随着盐熔体的深度而增加。因此，衬底平台可以浸入到盐熔体中，使得开口阵列的第一端与其中深度最大的盐熔体接触。在其他实施例中，可以通过控制盐熔体中的离子源的浓度来控制离子扩散深度，其中更高的浓度增加了离子扩散的数量和/或速率。例如，可以调节盐熔体，使得离子的浓度随着盐熔体的深度增加。因此，衬底平台可以浸入盐熔体中，使得开口阵列的第一端与深度最大的盐熔体接触。虽然本公开内容描述了使用盐熔体作为用于形成离子交换波导的外部离子源，但是可以采用诸如离子注入工艺或直接紫外线(UV)写入工艺等的其它机制来形成离子交换波导。
虽然在本公开中已经提供了几个实施例，但是应理解，在不脱离本公开的精神或范围的情况下，所公开的系统和方法可以以许多其它具体形式来体现。本示例被认为是说明性的而不是限制性的，并且其意图不在于限定本文给出的细节。例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统中，或一些特征可以省略，或不执行。
此外，在不脱离本公开的范围的情况下，在各种实施例中描述和示出为离散或分离的技术、系统、子系统和方法可以与其他系统、模块、技术或方法结合或集成。所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或中间组件的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。本领域技术人员可以确定变更、替代和变更的其他示例，并且可以在不脱离本文公开的精神和范围的情况下进行。

Claims (20)

1.一种制造光耦合器件的方法，其特征在于，包括：
在衬底平台的表面上形成波导掩膜层，其中所述波导掩膜层包括开口阵列，所述开口阵列包括第一端和与所述第一端相对的第二端；
将所述衬底平台浸入到包含离子的盐熔体中，以通过离子扩散工艺在所述衬底平台中形成波导阵列，其中所述波导阵列对应于所述开口阵列；以及
控制浸入速率，使得所述离子的扩散深度作为从所述第一端到所述第二端的方向上的距离的函数而变化，其中所述波导阵列沿着从所述第一端到所述第二端的方向延伸。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一端暴露于所述离子的持续时间比所述第二端长，使得所述波导阵列的高度在从所述第一端到所述第二端的方向上逐渐变小。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述开口的第一宽度从所述第一端到所述第二端逐渐变小，使得所述波导阵列的第二宽度在从所述第一端到所述第二端的方向上逐渐变小。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述开口阵列布置成朝向第二边缘扇入的扇入配置，并且其中所述扇入配置使得所述波导阵列包含在从所述第一端到所述第二端的方向上逐渐减小的阵列间距。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述衬底平台由玻璃衬底制成。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述衬底平台是包含钠离子(Na+)的富含钠的玻璃衬底，其中所述盐熔体中的所述离子包含银离子(Ag+)，并且其中所述离子扩散工艺包括用所述盐熔体中的所述Ag+离子替换所述衬底平台中的至少一部分所述Na+离子。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括控制所述盐熔体的温度梯度，使得所述盐熔体具有随所述盐熔体的深度增加而增加的温度。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括控制所述盐熔体中的所述离子的浓度，使得所述离子的浓度随所述盐熔体的深度增加而增加。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在所述波导阵列上形成上包层。
10.一种光耦合器件，其特征在于，包括：
衬底平台，包括第一表面、与所述第一表面相邻的第二表面、以及与所述第一表面相邻并与所述第二表面相对的第三表面；以及
波导阵列，包括第一波导，设置于所述衬底平台中，并沿着所述第二表面向所述第三表面延伸，
其中所述波导阵列对应于由离子交换工艺提供的所述衬底平台中的离子交换通道阵列，
其中所述第一波导包括锥形结构，所述锥形结构从所述第二表面到所述第三表面，相对于所述第一表面，垂直和横向上逐渐变小。
11.如权利要求10所述的光耦合器件，其中所述波导在所述衬底平台的所述第二表面附近的间隔比在所述衬底平台的所述第三表面附近更远，以提供阵列间距的减小。
12.如权利要求10所述的光耦合器件，其中每个波导具有与所述衬底平台的所述第二表面附近的单模光纤SMF的模式尺寸相当的模式尺寸，并且其中每个波导具有与所述衬底平台的所述第三表面附近的亚微米硅Si波导的模式尺寸相当的模式尺寸。
13.如权利要求10所述的光耦合器件，其中所述衬底平台包括含有钠离子Na+的富含钠的玻璃衬底。
14.如权利要求10所述的光耦合器件，其中由所述离子交换工艺提供的所述离子交换通道阵列包括银离子Ag+、铯离子Cs+、铷离子Rb+、锂离子Li+、钾离子K+或铊离子TI+。
15.如权利要求10所述的光耦合器件，其中所述衬底平台包括选自III-V族材料的材料。
16.如权利要求10所述的光耦合器件，其中所述离子交换工艺包括离子注入工艺或紫外线(UV)光写入过程。
17.如权利要求10所述的光耦合器件，其中所述光耦合器件是平面光波电路PLC。
18.一种平面光波电路PLC插入器，包括：
输入端口阵列，包括第一输入端口并被配置为：
耦合至包括第一光纤的平面内光纤阵列；以及
经由所述第一输入端口接收来自所述第一光纤的光信号；
输出端口阵列，包括第一输出端口并被配置为耦合至光子集成电路PIC边缘耦合阵列；以及
离子交换波导阵列，包括第一离子交换波导并形成于衬底平台中，其中每个离子交换波导包括耦合至所述输入端口之一的第一端和耦合至所述输出端口之一的第二端，
其中所述第一离子交换波导被耦合至所述第一输入端口和所述第一输出端口，并且包括从所述第一端到所述第二端横向和垂直地逐渐变小的横截面面积，以及
其中所述第一离子交换波导被配置为随着光信号朝向所述第一输出端口传播，横向和垂直地逐渐减小所述光信号的模式尺寸，以匹配所述PIC边缘耦合阵列的模式尺寸。
19.如权利要求18所述的PLC，其中所述离子交换波导阵列被定位成使得所述离子交换波导阵列的第一阵列间距从所述输入端口到所述输出端口减小，以匹配所述PIC边缘耦合阵列的第二阵列间距。
20.如权利要求18所述的PLC，其中所述衬底平台包括富含钠的衬底，并且其中所述离子交换波导阵列由钠至银的离子交换工艺提供。
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