JP2021511538A - Ag−Naイオン交換を用いて高透過ガラスに形成された低損失導波路 - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、本開示による低損失導波路を形成するために本明細書で用いられる例となるガラス基板10の上部立面図である。ガラス基板10は、上面12及び底面14を有するシートの形態で示されている。例では、基板は、研磨フロートガラスプロセス、フュージョンドロープロセス、スロットドロープロセス、リドロープロセス、又は別の適切な成形プロセスによって形成することができる。ガラス基板10はバルク屈折率n0を有する。x方向の例示的な長さLXは、以下で論じられるようなバックプレーン用途では、比較的長く、例えば、0.1メートル(m)以上でありうる。z方向の例示的な厚さTHは、0.3ミリメートル(mm)〜5mmの範囲でありうる。
一例では、AAS−1ガラスは、約70モル%〜約85モル%のSiO2、約0モル%〜約5モル%のAl2O3、約0モル%〜約5モル%のB2O3、約3モル%〜約10モル%のNa2O、約0モル%〜約12モル%のK2O、約0モル%〜約4モル%のZnO、約3モル%〜約12モル%のMgO、約0モル%〜約5モル%のCaO、約0モル%〜約3モル%のSrO、約0モル%〜約3モル%のBaO、及び約0.01モル%〜約0.5モル%のSnO2を含む。
AAS−2ガラスは、約65.79モル%〜約78.17モル%のSiO2、約2.94モル%〜約12.12モル%のAl2O3、約0モル%〜約11.16モル%のB2O3、約0モル%〜約2.06モル%のLi2O、約3.52モル%〜約13.25モル%のNa2O、約0モル%〜約4.83モル%のK2O、約0モル%〜約3.01モル%のZnO、約0モル%〜約8.72モル%のMgO、約0モル%〜約4.24モル%のCaO、約0モル%〜約6.17モル%のSrO、約0モル%〜約4.3モル%のBaO、及び約0.07モル%〜約0.11モル%のSnO2を含みうる。
さまざまな例となる低鉄AASガラス基板10で実施された実験は、銀(Ag+)イオンがナトリウム(Na+)イオンと交換されると、最高の性能のIOX導波路が得られることを示唆している。これらの導波路を、以後、Ag−Na IOX導波路と呼ぶ。Ag+イオンの半径は比較的小さいため、複屈折を引き起こすIOXプロセスから生じる圧縮応力は、K+イオンなどのIOXプロセスで用いられる他のイオンよりも小さくなる。
図2A〜2Eは、本明細書に開示される低損失Ag−Na IOX導波路を形成する例示的な方法を示す、図1の例となるガラス基板10の断面図である。例では、ガラス基板10は、AAS−1ガラス又はAAS−2ガラスのいずれかを含む。
図7Aは、例示的なバックプレーン200の上部立面図である。バックプレーン200は、上述のように、本明細書に開示されるIOXプロセスを使用し、ガラス基板にAASガラス材料を使用してガラス基板10に形成したAg−Na IOX導波路100を備えている。図7Aはまた、Ag−Na IOX導波路に対して動作可能に配置した場合に、Ag−Na IOX導波路100から光を抽出して、光相互接続を形成するために用いられる例示的な光カプラ210も(部分分解図で)示している。一例では、光カプラ210は、エバネッセント光結合を使用して動作し、以下に説明するように、光学機能を有するデバイスの光コネクタを受け入れるように構成される。
図7Bは、図7Aのバックプレーン200及び光カプラ210を備えた例示的なシステム240の上部立面図である。例示的なシステム240は、光学機能又は光学的かつ電気的機能を有することができる。例示的なシステム240は、それぞれの光カプラ210を介してAg−Na IOX導波路に光学的に結合されたデバイス250を含む。デバイス250は、例としてラインカードの形態で示されている。デバイス250は、光学機能又は光学的かつ電気的機能を有することができ、例として、光学的機能と電気的機能の両方を有するものとして(すなわち、O−Eデバイスとして)以下に説明される。
基板にイオン交換(IOX)導波路を形成する方法であって、
a)前記基板の上面にマスクを形成する工程であって、前記マスクが前記上面に少なくとも1つの開口部を画成し、前記基板が、Naを含み、50パーツ・パー・ミリオン(ppm)以下に相当するFe濃度を有するアルカリアルミノケイ酸塩ガラスを含む、工程;
b)前記少なくとも1つの開口部内の前記基板の前記上面を通して第1のIOXプロセスを実施して、前記基板内に前記基板の前記上面に最大屈折率を有する初期のIOX領域を画成する工程;及び
c)前記基板の前記上面に第2のIOXプロセスを実施して、前記初期のIOX領域から前記基板の前記上面の下に最大屈折率を有する埋め込み型IOX領域を形成する工程であって、前記埋め込み型IOX領域と前記基板の周辺部分とが、光損失OL≦0.05dB/cm及び複屈折の大きさ|B|≦0.001を有するIOX導波路を画成し、前記第2のIOXプロセスがNa−Ag IOXプロセスである、工程
を含む、方法。
前記光損失OL≦0.01dB/cmである、実施形態1に記載の方法。
前記Fe濃度が15ppm未満である、実施形態2に記載の方法。
前記Fe濃度が10ppm未満である、実施形態3に記載の方法。
前記アルカリアルミノケイ酸塩ガラスが、Ni及びCrを1ppm以下の量で含む、実施形態1に記載の方法。
前記埋め込み型IOX領域が、45〜80μmの層深さと0.01≦Δn≦0.06の範囲の屈折率差Δnとを有する、実施形態1に記載の方法。
前記埋め込み型IOX領域が、6〜15μmの層深さと0.002≦Δn≦0.01の範囲の最大屈折率差Δnとを有する、実施形態1に記載の方法。
前記基板がバルク屈折率n0を有し、前記埋め込み型IOX領域が前記基板の前記上面に表面屈折率nsを有し、表面屈折率差Δns=ns−n0≦0.001である、実施形態1に記載の方法。
前記埋め込み型IOX領域が、100℃の温度で拡散率D=0m2/秒を有する、実施形態1に記載の方法。
前記第1のIOXプロセスが電場支援される、実施形態1に記載の方法。
前記第1のIOXプロセスが、前記基板の外部のAg+イオンを前記基板内のNa+イオンと交換することを含む、実施形態1に記載の方法。
光学機能を備えたデバイスを前記IOX導波路に光学的に結合する工程をさらに含む、実施形態1に記載の方法。
低損失イオン交換(IOX)導波路であって、
上面を有しており、かつ、3モル%〜15モル%のNa2Oを含み、20パーツ・パー・ミリオン(ppm)以下のFe濃度を有するアルカリアルミノケイ酸塩ガラスを含む、ガラス基板;及び
前記ガラス基板に形成された埋め込み型Ag−Na IOX領域であって、前記埋め込み型Ag−Na IOX領域が前記ガラス基板の前記上面の下に最大屈折率を有しており、前記埋め込み型Ag−Na IOX領域と前記ガラス基板の周辺部分とが光損失OL≦0.05dB/cm及び複屈折の大きさ|B|≦0.001を有するAg−Na IOX導波路を画成する、埋め込み型Ag−Na IOX領域
を含む、低損失イオン交換(IOX)導波路。
前記光損失OL≦0.01dB/cmである、実施形態13に記載の低損失IOX導波路。
前記Fe濃度が15ppm未満である、実施形態13に記載の低損失IOX導波路。
前記Fe濃度が10ppm未満である、実施形態15に記載の低損失IOX導波路。
前記埋め込み型Ag−Na IOX領域の屈折率プロファイルが、45〜80μmの層深さと0.01≦Δn≦0.06の範囲の最大屈折率差Δnとを有する、実施形態13に記載の低損失IOX導波路。
前記埋め込み型Ag−Na IOX領域の屈折率プロファイルが、6〜15μmの層深さと0.002≦Δn≦0.01の範囲の最大屈折率差Δnとを有する、実施形態13に記載の低損失IOX導波路。
前記ガラス基板がバルク屈折率n0を有し、前記埋め込み型IOX領域が前記ガラス基板の前記上面に表面屈折率nsを有し、表面屈折率差Δns=ns−n0≦0.001である、実施形態13に記載の低損失IOX導波路。
前記埋め込み型Ag−Na IOX領域が、100℃の温度でD=0m2/秒の拡散率を有する、実施形態13に記載の低損失IOX導波路。
前記IOX導波路に光学的に結合された光電気デバイスをさらに含む、実施形態13に記載の低損失IOX導波路。
前記アルカリアルミノケイ酸塩ガラスが、
約65.79モル%〜約78.17モル%のSiO2、
約2.94モル%〜約12.12モル%のAl2O3、
約0モル%〜約11.16モル%のB2O3、
約0モル%〜約2.06モル%のLi2O、
約3.52モル%〜約13.25モル%のNa2O、
約0モル%〜約4.83モル%のK2O、
約0モル%〜約3.01モル%のZnO、
約0モル%〜約8.72モル%のMgO、
約0モル%〜約4.24モル%のCaO、
約0モル%〜約6.17モル%のSrO、
約0モル%〜約4.3モル%のBaO、及び
約0.07モル%〜約0.11モル%のSnO2
を含む、実施形態13に記載の低損失IOX導波路。
前記アルカリアルミノケイ酸塩ガラスが、
約70モル%〜約85モル%のSiO2、
約0モル%〜約5モル%のAl2O3、
約0モル%〜約5モル%のB2O3、
約3モル%〜約10モル%のNa2O、
約0モル%〜約12モル%のK2O、
約0モル%〜約4モル%のZnO、
約3モル%〜約12モル%のMgO、
約0モル%〜約5モル%のCaO、
約0モル%〜約3モル%のSrO、
約0モル%〜約3モル%のBaO、及び
約0.01モル%〜約0.5モル%のSnO2
を含む、実施形態13に記載の低損失IOX導波路。
光信号を伝達するシステムのバックプレーンにおいて、
上面を有するガラス基板であって、3モル%〜15モル%のNa2Oを含み、20パーツ・パー・ミリオン(ppm)以下のFe濃度を有するアルカリアルミノケイ酸塩ガラスを含む、ガラス基板;
前記ガラス基板に形成された1つ以上の埋め込み型Ag−Naイオン交換(IOX)領域であって、前記1つ以上の埋め込み型Ag−Na IOX領域の各々が前記ガラス基板の前記上面の下に最大屈折率を有しており、前記1つ以上の埋め込み型Ag−Na IOX領域と前記ガラス基板の周辺部分とが、各々が800nm〜1600nmの波長範囲で少なくとも1つの伝播導波モードを支援し、前記波長範囲で光損失OL≦0.05dB/cm及び複屈折の大きさ|B|≦0.001を有する、1つ以上のAg−Na IOX導波路を画成する、1つ以上の埋め込み型Ag−Naイオン交換(IOX)領域;及び
前記1つ以上のAg−Na IOX導波路に対して動作可能に配置され、かつ、光信号を前記1つ以上のAg−Na IOX導波路の内外へと結合するように構成された光カプラ
を含む、バックプレーン。
光学機能を有し、前記光カプラに動作可能に接続されたデバイスをさらに含む、実施形態24に記載のバックプレーン。
電気信号を伝達するように構成された1つ以上の導電体をさらに含む、実施形態24に記載のバックプレーン。
前記1つ以上のAg−Na IOX導波路の長さが最長1メートルまでである、実施形態24に記載のバックプレーン。
前記光損失OL≦0.01dB/cmであり、前記1つ以上のAg−Na IOX導波路の長さが最長2メートルまでである、実施形態24に記載のバックプレーン。
前記アルカリアルミノケイ酸塩ガラスが、
約65.79モル%〜約78.17モル%のSiO2、
約2.94モル%〜約12.12モル%のAl2O3、
約0モル%〜約11.16モル%のB2O3、
約0モル%〜約2.06モル%のLi2O、
約3.52モル%〜約13.25モル%のNa2O、
約0モル%〜約4.83モル%のK2O、
約0モル%〜約3.01モル%のZnO、
約0モル%〜約8.72モル%のMgO、
約0モル%〜約4.24モル%のCaO、
約0モル%〜約6.17モル%のSrO、
約0モル%〜約4.3モル%のBaO、及び
約0.07モル%〜約0.11モル%のSnO2
を含む、実施形態24に記載のバックプレーン。
前記アルカリアルミノケイ酸塩ガラスが、
約70モル%〜約85モル%のSiO2、
約0モル%〜約5モル%のAl2O3、
約0モル%〜約5モル%のB2O3、
約3モル%〜約10モル%のNa2O、
約0モル%〜約12モル%のK2O、
約0モル%〜約4モル%のZnO、
約3モル%〜約12モル%のMgO、
約0モル%〜約5モル%のCaO、
約0モル%〜約3モル%のSrO、
約0モル%〜約3モル%のBaO、及び
約0.01モル%〜約0.5モル%のSnO2
を含む、実施形態24に記載のバックプレーン。
12 上面
14 底面
20 マスク
22 開口
30 銀塩浴
40 IOX界面
50 最終Ag−Na IOX領域
50i 初期Ag−Na IOX領域
60 ナトリウム塩浴
100 Ag−Na IOX導波路
200バックプレーン
210光カプラ
220導電体
240システム
250デバイス
254光コネクタ
260モジュール
262光学エンジン
270光導波路
274電気コネクタ
280集積回路(IC)チップ
290電線のアレイ
Claims (17)
- 低損失イオン交換(IOX)導波路であって、
上面を有しており、かつ、3モル%〜15モル%のNa2Oを含み、20パーツ・パー・ミリオン(ppm)以下のFe濃度を有するアルカリアルミノケイ酸塩ガラスを含む、ガラス基板;及び
前記ガラス基板に形成された埋め込み型Ag−Na IOX領域であって、前記埋め込み型Ag−Na IOX領域が前記ガラス基板の前記上面の下に最大屈折率を有しており、前記埋め込み型Ag−Na IOX領域と前記ガラス基板の周辺部分とが光損失OL≦0.05dB/cm及び複屈折の大きさ|B|≦0.001を有するAg−Na IOX導波路を画成する、埋め込み型Ag−Na IOX領域
を含む、低損失イオン交換(IOX)導波路。 - 前記光損失OL≦0.01dB/cmである、請求項1に記載の低損失IOX導波路。
- 前記Fe濃度が15ppm未満である、請求項1に記載の低損失IOX導波路。
- 前記埋め込み型Ag−Na IOX領域の屈折率プロファイルが、45〜80μmの層深さと0.01≦Δn≦0.06の範囲の最大屈折率差Δnとを有する、請求項1に記載の低損失IOX導波路。
- 前記埋め込み型Ag−Na IOX領域の屈折率プロファイルが、6〜15μmの層深さと0.002≦Δn≦0.01の範囲の最大屈折率差Δnとを有する、請求項1に記載の低損失IOX導波路。
- 前記ガラス基板がバルク屈折率n0を有し、前記埋め込み型IOX領域が前記ガラス基板の前記上面に表面屈折率nsを有し、表面屈折率差Δns=ns−n0≦0.001である、請求項1に記載の低損失IOX導波路。
- 前記埋め込み型Ag−Na IOX領域が、100℃の温度で拡散率D=0m2/秒を有する、請求項1に記載の低損失IOX導波路。
- 前記IOX導波路に光学的に結合された光電気デバイスをさらに含む、請求項1に記載の低損失IOX導波路。
- 前記アルカリアルミノケイ酸塩ガラスが、
約65.79モル%〜約78.17モル%のSiO2、
約2.94モル%〜約12.12モル%のAl2O3、
約0モル%〜約11.16モル%のB2O3、
約0モル%〜約2.06モル%のLi2O、
約3.52モル%〜約13.25モル%のNa2O、
約0モル%〜約4.83モル%のK2O、
約0モル%〜約3.01モル%のZnO、
約0モル%〜約8.72モル%のMgO、
約0モル%〜約4.24モル%のCaO、
約0モル%〜約6.17モル%のSrO、
約0モル%〜約4.3モル%のBaO、及び
約0.07モル%〜約0.11モル%のSnO2
を含む、請求項1に記載の低損失IOX導波路。 - 前記アルカリアルミノケイ酸塩ガラスが、
約70モル%〜約85モル%のSiO2、
約0モル%〜約5モル%のAl2O3、
約0モル%〜約5モル%のB2O3、
約3モル%〜約10モル%のNa2O、
約0モル%〜約12モル%のK2O、
約0モル%〜約4モル%のZnO、
約3モル%〜約12モル%のMgO、
約0モル%〜約5モル%のCaO、
約0モル%〜約3モル%のSrO、
約0モル%〜約3モル%のBaO、及び
約0.01モル%〜約0.5モル%のSnO2
を含む、請求項1に記載の低損失IOX導波路。 - 光信号を伝達するシステムのバックプレーンにおいて、
上面を有するガラス基板であって、3モル%〜15モル%のNa2Oを含み、20パーツ・パー・ミリオン(ppm)以下のFe濃度を有するアルカリアルミノケイ酸塩ガラスを含む、ガラス基板;
前記ガラス基板に形成された1つ以上の埋め込み型Ag−Naイオン交換(IOX)領域であって、前記1つ以上の埋め込み型Ag−Na IOX領域の各々が前記ガラス基板の前記上面の下に最大屈折率を有しており、前記1つ以上の埋め込み型Ag−Na IOX領域と前記ガラス基板の周辺部分とが、各々が800nm〜1600nmの波長範囲で少なくとも1つの伝播導波モードを支援し、前記波長範囲で光損失OL≦0.05dB/cm及び複屈折の大きさ|B|≦0.001を有する、1つ以上のAg−Na IOX導波路を画成する、1つ以上の埋め込み型Ag−Naイオン交換(IOX)領域;及び
前記1つ以上のAg−Na IOX導波路に対して動作可能に配置され、かつ、光信号を前記1つ以上のAg−Na IOX導波路の内外へと結合するように構成された光カプラ
を含む、バックプレーン。 - 光学機能を有し、前記光カプラに動作可能に接続されたデバイスをさらに含む、請求項11に記載のバックプレーン。
- 電気信号を伝達するように構成された1つ以上の導電体をさらに含む、請求項11に記載のバックプレーン。
- 前記1つ以上のAg−Na IOX導波路の長さが最長1メートルまでである、請求項11に記載のバックプレーン。
- 前記光損失OL≦0.01dB/cmであり、前記1つ以上のAg−Na IOX導波路の長さが最長2メートルまでである、請求項11に記載のバックプレーン。
- 前記アルカリアルミノケイ酸塩ガラスが、
約65.79モル%〜約78.17モル%のSiO2、
約2.94モル%〜約12.12モル%のAl2O3、
約0モル%〜約11.16モル%のB2O3、
約0モル%〜約2.06モル%のLi2O、
約3.52モル%〜約13.25モル%のNa2O、
約0モル%〜約4.83モル%のK2O、
約0モル%〜約3.01モル%のZnO、
約0モル%〜約8.72モル%のMgO、
約0モル%〜約4.24モル%のCaO、
約0モル%〜約6.17モル%のSrO、
約0モル%〜約4.3モル%のBaO、及び
約0.07モル%〜約0.11モル%のSnO2
を含む、請求項11に記載のバックプレーン。 - 前記アルカリアルミノケイ酸塩ガラスが、
約70モル%〜約85モル%のSiO2、
約0モル%〜約5モル%のAl2O3、
約0モル%〜約5モル%のB2O3、
約3モル%〜約10モル%のNa2O、
約0モル%〜約12モル%のK2O、
約0モル%〜約4モル%のZnO、
約3モル%〜約12モル%のMgO、
約0モル%〜約5モル%のCaO、
約0モル%〜約3モル%のSrO、
約0モル%〜約3モル%のBaO、及び
約0.01モル%〜約0.5モル%のSnO2
を含む、請求項11に記載のバックプレーン。
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