CN114746258A - 光波导及用于其生产方法 - Google Patents

Abstract

一种用于形成玻璃平坦波导结构的方法，包括生产或获得熔合拉制玻璃层合体(10)，该熔合拉制玻璃层合体包含核心玻璃层(10)以及第一包覆玻璃层(14)和第二包覆玻璃层(16)，接着去除或薄化至少第二玻璃包覆层(16)的部分，留下第二玻璃包覆层(16)的剩余或较厚部分，剩余或较厚部分对应于平坦波导图案，得到玻璃平坦波导结构。

Description

光波导及用于其生产方法

相关申请交叉参考

本申请主张于2019年11月30号提交的美国临时申请第62/942,130号的优先权权益，其内容在此处整体并入作为参考。

领域

本公开总体上涉及大致平坦的光波导及其生产方法，且更具体而言，涉及包含熔合拉制层合的(及熔合的)玻璃的大致平坦的光波导及使用熔合拉制层合的(及熔合的)玻璃生产大致平坦的光波导的方法。

背景

随着微处理器的效能持续增加，用于使数据流入和流出微处理器的电子互连的最大可用数据通信率变成越来越起主导作用的瓶颈，限制整体系统效能。以光学互连取代电子互连可解决此瓶颈问题。光学互连的最重要优点为更高带宽-长度乘积(即，以带宽量测的较高相对带宽乘以长度)及更高密度。还可实现成本及功率的节省。除了这些优点之外，光学互连还提供直接在互连之中嵌入光学对齐方案的可能性。

平坦波导是有希望在光学互连中使用的部件，目前考虑在计算机互连中应用，例如芯片至芯片光学阵列连接。

使用相对低成本玻璃作为材料制造用于芯片互连的平坦波导具有三种主要方式。一种方式为在玻璃基板的顶部沉积具有较高折射率的薄膜，例如藉由溶胶凝胶旋涂工艺或化学气相沉积工艺。接着藉由光刻和化学蚀刻工艺制造通道波导。第二种方式为使用离子交换工艺通过掩模建立通道波导，例如在玻璃基板中藉由K+-Na+离子交换或藉由Ag+-Na+离子交换。第三种方式为使用UV或IR激光直接在玻璃基板中或玻璃基板上写入波导。这些工艺各自在可放大性和柔性方面具有限制，且因此难以适于低成本制造。因此，希望建立一种用于在玻璃中生产高质量低成本平坦波导的方法。

概述

根据此处所披露的方法或工艺，藉由以下步骤形成一种玻璃平坦波导结构：生产或获得包含核心玻璃层及第一包覆玻璃层和第二包覆玻璃层的熔合拉制玻璃层合体，接着去除或薄化至少第二玻璃包覆层的部分，留下第二玻璃包覆层的剩余或较厚部分，剩余或较厚部分以平坦波导图案布置或定位，得到玻璃平坦波导结构。

该方法可另外包括去除或薄化第一玻璃包覆层的部分，留下以平坦波导图案布置或定位的第一玻璃包覆层的剩余部分，得到双侧玻璃平坦波导结构。

此处所披露的方法的任何以上变化形式可包括藉由用蚀刻工艺蚀刻来去除第二玻璃包覆层的部分，该蚀刻工艺相对于核心玻璃层选择性蚀刻第二玻璃包覆层。

此处所披露的方法的任何以上变化形式还可采用：生产或者获得熔合拉制玻璃层合体，该熔合拉制玻璃层合体在第二玻璃包覆层与核心玻璃层之间具有从0.1至5％的范围中的折射率差异。核心玻璃可具有比第二包覆玻璃层更高的折射率，这在大多实施方式中是有利的。在一些实施方式中，核心玻璃层可具有比第二包覆玻璃层更低的折射率。

此处所披露的方法的任何以上变化形式可采用：生产或者获得具有长度L、宽度W的熔合拉制玻璃层合体，且其中长度L和宽度W在1cm至50cm的范围中。

此处所披露的方法的任何以上变化形式还可采用：藉由留下具有宽度W的第二玻璃包覆层的剩余或较厚部分而去除或薄化第二玻璃包覆层的部分，其中剩余或较厚部分的宽度W在从2um至100um的范围之中。第二玻璃包覆层的剩余或较厚部分可包括多个剩余或较厚部分，所述多个剩余或较厚部分沿大致垂直于宽度W的方向平行延伸，其中所述多个剩余或较厚部分的数量在从4至300的范围中。

此处所披露的方法的任何以上变化形式还可采用：生产或者获得具有厚度T的熔合拉制玻璃层合体，其中厚度T在100um至2mm之间。

此处所披露的方法的任何以上变化形式还可采用：生产或者获得熔合拉制玻璃层合体包括生产或者获得具有厚度T的熔合拉制玻璃层合体，其中厚度T在100um至500um之间，使得所产生的平坦波导结构为柔性的。

此处所披露的方法的任何以上变化形式还可采用：在第二玻璃包覆层的剩余或较厚部分上添加材料层，该材料具有与第二玻璃包覆层形成对比的折射率，以生产埋入式波导。

根据实施方式，披露了一种平坦波导或柔性平坦波导，其包含熔合拉制玻璃层合体，该熔合拉制玻璃层合体具有熔合在一起的平坦的核心层以及第一包覆层和第二包覆层，其中第一和第二包覆层分别形成层合体的第一和第二主表面，其中至少第二包覆层具有缺失或薄化的区域以及相对应的剩余或厚的区域的图案，以便能够沿着由剩余或厚的区域形成的波导来引导一个或更多个波长。

其他实施方式及各种优点通过以下说明书、附图及权利要求书将显而易见。

附图简单说明

图1为三维图解视图，描绘根据本公开的方法的实施方式，用于在藉由熔合拉制生产的层合玻璃基板上形成大致平坦的波导；以及得到的波导。

图2为根据本公开的实施方式并根据本公开的方法生产的波导阵列的平面图解视图。

图3为图2的阵列或阵列片段的剖面图解视图。

图4为在添加材料以形成埋入式波导阵列之后的图2的阵列或阵列片段的剖面图解视图。

图5、6和7为根据本公开的波导的其他类型的实施方式的剖面视图，这些波导根据本公开的方法的其他实施方式来生产。

图8为三维图解视图，描绘根据本公开的方法的实施方式，用于将光纤与通过本公开的方法生产的波导对齐；以及得到的对齐的波导和光纤。

图9为大致平坦的光学装置的各种类型的实施方式的图解平面视图，这些大致平坦的光学装置利用本公开的波导且藉由当前公开的方法或工艺实用地生产。

实施方式

图1为三维图解视图，描绘了：根据本公开的方法的实施方式，用于在藉由熔合拉制生产的层合玻璃基板上形成大致平坦的波导；以及得到的波导。层压玻璃基板10藉由熔合拉制工艺制造，具有核心玻璃层12以及第一和第二包覆玻璃层14、16。核心及包覆玻璃层形成玻璃层合体，其中这些层在熔合拉制处理期间熔融在一起，且因此不使用也不需要黏合剂或其他材料将这些层黏着在一起。使用熔合拉制工艺以形成层合基板10允许以低成本生产均匀(高质量)层合玻璃。

为了制造波导，在第二包覆层16的表面上沉积光刻胶20，得到具有光刻胶的层合基板10a。接着，光刻胶20透过具有波导图案的光掩模(未显示)暴露于UV光，或者在波导或其负片中暴露。接着，藉由使用显影剂去除光刻胶的经UV暴露的区域(或替代地去除未暴露的区域)，以形成光刻胶掩模22，得到遮蔽的层合基板10b。第二包覆层16的暴露的区域(未受光刻胶掩模22保护的区域)接着藉由蚀刻去除，有利的是藉由各向异性蚀刻去除，得到在层合波导基板30上的波导18。对于特别小的特征(＜50um)，可使用额外金属掩模(未显示)(举例而言，CrON掩模)，以提供强烈抗蚀刻介质的保护层。在替代实施方式或变化形式中，可选择用于蚀刻处理的化学物质以及包覆层和核心层的成分，使得蚀刻处理选择性地相对于核心层蚀刻包覆层，使得核心层在蚀刻步骤期间可至少在某程度上作为蚀刻停止层。

图2为根据本公开的实施方式及根据本公开的方法生产的波导阵列的平面图解视图，且图3为沿着图2中指示的线截取的(部分)剖面视图。层合玻璃基板具有长度L、宽度W及厚度T。长度L及宽度W在1cm至50cm的范围中。厚度T为介于100um至2mm之间。波导可藉由选择性去除层合玻璃基板的第二包覆层16的区域(或在所显示的取向中的顶部层)而制造，以形成如图3中所显示的“通道”脊部R。所得到的通道波导可为单模或多模。相对于核心层的波导的相对折射率差Δ可为介于0与5％之间，或介于0.1与5％之间。波导的宽度W的尺寸(脊部R的宽度W)为介于2um至100um之间。可制造波导且如图2中所显示可留在玻璃基板的表面上。对于平行波导，波导间隔(中心对中心)有利地介于10um至100um之间，以确保相邻波导之间所需的低串扰，更佳地波导间隔为介于30um与50um之间。在一个基板上可放置大量的波导。举例而言，4、8、10、16、20、24、48、96、100、124、150、200甚至300或更多个。如图3中所显示，波导可选地可藉由波导上的涂层C而埋入。举例而言，涂层C可为玻璃或聚合物，且得到埋入式波导结构。

图5、6和7为根据本公开的波导的其他类型的实施方式的剖面视图，这些波导根据本公开的方法的其他实施方式来生产。如图5的剖面所显示，波导18可从上包覆层和下包覆层两者(图1中的第二包覆层16和第一包覆层14)形成，得到在两个表面上(即在两个主“相对”表面上)具有光学波导装置的层合(熔合)玻璃基板46。如图6的剖面所显示，也可形成除了脊部波导之外的波导类型，例如藉由并非完全蚀刻掉包覆层，例如在层合(熔合)玻璃基板42上的肋条波导，或若折射率关系相反(且折射率和尺寸经过适当选择)，在层合(熔合)玻璃基板44上的ARROW(抗共振反射光学波导)波导。这些及其他类型也可形成于层合熔合玻璃基板的两个(主)表面上，得到例如在层合(熔合)玻璃基板48上两侧(两组)的肋条波导，或在层合(熔合)玻璃基板49上的两侧(两组)ARROW波导，描绘于图7中。

图8为三维图解视图，描绘了：根据本公开的方法的实施方式，此方法用于将光纤与通过本公开的方法生产的波导对齐；以及得到的对齐的波导和光纤。对于光学互连应用，将平坦波导耦合至光纤通常是重要的。对于光纤到波导的耦合，需要光纤与波导对齐良好，以实现低的入射损耗。对于在层合玻璃基板上的波导，如图8中所显示可在层合熔合玻璃基板30上形成对齐V形沟槽，与第二玻璃包覆层16的剩余或较厚部分(波导18)对齐。可去除波导18，或者干脆在V形沟槽32待形成的区域中不形成波导18，且可藉由遮蔽(例如光刻遮蔽)与各向同性蚀刻处理一起形成V形沟槽32，生产在熔合玻璃基板30a上具有对齐V形沟槽的波导。为了将光纤耦合至波导，光纤34接着放置于V形沟槽32中，以将光纤与波导18对齐。接着光纤34紧固于适当位置，例如以环氧树脂或其他适合的手段，以形成在熔合玻璃基板30b上与光纤对接的波导。

图9为大致平坦的光学装置的各种类型的实施方式的图解平面视图，这些大致平坦的光学装置利用本公开的波导且藉由当前公开的方法或工艺实用地生产。除了平行波导之外，许多不同装置可在层合玻璃基板上制造，用于光学互连应用。图9显示八种类型的装置，包括Y形分支50，用于将光学信号从一个波导分裂至多个波导，或当以相反方式使用时用于从多个波导合并光学信号至一个波导。可形成星形耦合器51用于执行类似的功能。可形成方向性耦合器52，用于从一个波导耦合信号至另一者。可形成马赫詹德(Mach-Zehnder)干涉仪53，且用于信号处理。可藉由在第二玻璃包覆层的剩余或较厚部分[例如所显示的脊部R(所得到的波导)]之中或之上放置或形成光栅，例如藉由额外的光刻和化学蚀刻处理，例如上文所论述，或藉由激光写入或其他适合的技术，形成具有光栅耦合器的波导装置54。可形成波导扇出装置55，此装置允许在具有相对较小间隔的波导阵列与具有相对较大间隔的光纤阵列之间的耦合。可形成反向波导锥形体56，它可放大模场，以促进具有相对较小模场的波导与具有相对较大模场的光纤之间的耦合。可形成波导锥形体57，用于将具有相对较大尺寸的波导耦合至具有相对较小尺寸的波导。可形成阵列波导光栅装置58，用于从波导将波长通道(例如一个光纤输入)分开成个别波长通道，若需要，它们各自可耦合至相应的个别光纤。

尽管在本公开中仅详细说明少数实施方式，但许多修改是可能的(例如，各种组件的尺寸、维度、结构、形状及比例，参数的值，固定布置，材料的使用，取向的变化)而不会实质背离此处所述的主题的新颖教导及优点。显示为整体形成的某些组件可以多个部件或组件构成，组件的取向可相反或者变化，且零散组件的性质或数量或定位可替换或变化。任何处理、逻辑算法或方法的顺序或排序可根据替代实施方式而变化或重新排序。在各种示例实施方式的设计、操作条件及布置中也可作成其他替换、修改、改变及省略而不会背离本发明技术的范围。

Claims (19)

1.一种用于形成玻璃平坦波导结构的方法，该方法包括：

生产或者获得熔合拉制玻璃层合体，该熔合拉制玻璃层合体包含核心玻璃层以及第一包覆玻璃层和第二包覆玻璃层；

去除或薄化该第二玻璃包覆层的部分，留下以第一平坦波导图案布置的该第二玻璃包覆层的剩余或较厚部分。

2.如权利要求1所述的方法，还包括去除该第一玻璃包覆层的部分，留下以第二平坦波导图案布置的该第一玻璃包覆层的剩余部分。

3.如权利要求1和2中任一项所述的方法，其中去除该第二玻璃包覆层的部分包括用蚀刻处理进行蚀刻，该蚀刻处理相对于该核心玻璃层选择性蚀刻该第二玻璃包覆层。

4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中生产或者获得熔合拉制玻璃层合体包括生产或者获得在该第二玻璃包覆层与该核心玻璃层之间具有0.1-5％的折射率差异的熔合拉制玻璃层合体。

5.如权利要求4所述的方法，其中该核心玻璃层具有比该第二包覆玻璃层更高的折射率。

6.如权利要求4所述的方法，其中该核心玻璃层具有比该第二包覆玻璃层更低的折射率。

7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中生产或者获得熔合拉制玻璃层合体包括生产或者获得具有长度L、宽度W的熔合拉制玻璃层合体，其中该长度L和该宽度W在1cm至50cm的范围中。

8.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中去除或薄化该第二玻璃包覆层的部分包括留下具有宽度W的该第二玻璃包覆层的剩余或较厚部分，其中该剩余或较厚部分的该宽度W在2um至100um的范围中。

9.如权利要求8所述的方法，其中该第二玻璃包覆层的该剩余或较厚部分包括多个剩余或较厚部分，所述多个剩余或较厚部分沿大致垂直于该宽度W的方向平行延伸，其中所述多个剩余或较厚部分的数量在4至300的范围中。

10.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中生产或者获得熔合拉制玻璃层合体包括生产或者获得具有厚度T的熔合拉制玻璃层合体，其中该厚度T在100um至2mm之间。

11.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中生产或者获得熔合拉制玻璃层合体包括生产或者获得具有厚度T的熔合拉制玻璃层合体，其中该厚度T在100um至500um之间，使得所得到的平坦波导结构是柔性的。

12.如前述权利要求中任一项所述的方法，还包括在该第二玻璃包覆层的剩余或较厚部分上添加材料层，该材料具有与该第二玻璃包覆层形成对比的折射率。

13.如前述权利要求中任一项所述的方法，还包括以与该第二玻璃包覆层的剩余或较厚部分中的一个或多个部分对齐的方式蚀刻V形沟槽。

14.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中该第一平坦波导图案包含以下至少一者：Y形分支、星形耦合器、方向性耦合器、马赫詹德干涉仪、扇出装置、扇入装置、反向波导锥形体、波导锥形体以及阵列波导光栅。

15.如前述权利要求中任一项所述的方法，进一步包括在该第二玻璃包覆层的剩余或较厚部分之中或之上放置或形成光栅。

16.一种平坦波导或柔性平坦波导，包含：

熔合拉制玻璃层合体，其具有熔融在一起的平坦的核心层以及第一包覆层和第二包覆层，第一包覆层和第二包覆层分别形成该层合体的第一主表面和第二主表面；

至少该第二包覆层具有缺失或薄化的区域和对应的剩余或厚的区域的图案，使得能够沿着由该剩余或厚的区域形成的波导来引导一个或更多个波长。

17.如权利要求16所述的平坦波导或柔性平坦波导，其中熔合拉制玻璃层合体具有厚度T，该厚度T在100um至2mm之间。

18.如权利要求16所述的平坦波导或柔性平坦波导，其中熔合拉制玻璃层合体具有厚度T，其中该厚度T在100um至500um之间。

19.如权利要求16-18所述的平坦波导或柔性平坦波导，其中该熔合拉制玻璃层合体在该第二玻璃包覆层与该核心玻璃层之间具有0.1-5％的折射率差异。

Images