用于在玻璃基板中形成离子交换波导的方法技术

本发明专利技术公开了在玻璃基板中形成离子交换波导的方法。在一个实施方式中，一种在离子交换的玻璃基板中形成波导的方法，所述离子交换的玻璃基板具有从所述离子交换的玻璃基板的表面延伸到层深度的离子交换层，所述方法包括在所述离子交换的玻璃基板的所述表面处局部加热至少一个带以在所述至少一个带内扩散所述离子交换层中的离子。在所述至少一个带内的离子的浓度小于在所述至少一个带外的离子的浓度，且至少一个波导界定于所述离子交换层内，邻近所述至少一个带。在一些实施方式中，所述至少一个波导嵌入于所述离子交换的玻璃基板内，使得所述至少一个波导的上表面在所述玻璃基板的所述表面下方达深度d。

A Method for Forming Ion Exchange Waveguide in Glass Substrate

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于在玻璃基板中形成离子交换波导的方法本申请依据35U.S.C.§120主张2016年8月26日提交的美国申请第15/248,026号的优先权，所述申请的内容被信赖且被以引用的方式全部并入本文中。
技术介绍
本公开内容大体涉及用于光学通信的光学波导，且更确切地说，涉及用于使用局部化加热在玻璃基板中形成离子交换波导的方法。随着微处理器性能继续增加，用于到和从处理器的资料流的电互连件变为总体系统性能的主要瓶颈。用光学互连件替换电互连件可解决这个瓶颈问题。光学互连件相比于电互连件提供更高带宽长度、更高密度和潜在成本与功率节省。光学波导是可提供光学组件(例如，激光源与光检测器)之间的光学互连件的组件。玻璃基板中的离子交换波导是一种类型的光学波导。沿着窄路径包括例如银离子的离子增大玻璃沿着所述路径的折射率。在界定波导的窄路径内导引光信号。通过将图案化的掩模层涂覆到玻璃基板的表面来形成离子交换波导。在此工艺中，在离子交换工艺前，存在在玻璃基板的表面上制备具有所要的图案的掩模所需要的多个复杂且成本高的步骤。因此，形成离子交换波导的工艺耗时且成本高，并且因此对于大规模生产不合需要。因此，需要制造离子交换波导的替代方法。
技术实现思路
本公开内容的实施方式是针对在不需要使用图案掩模的玻璃基板内制造离子交换波导的方法。通常，玻璃基板经受离子交换工艺以形成具有比在离子交换层外的玻璃基板的区域高的折射率的离子交换层。然后在离子交换层内邻近离子交换波导的所要的位置形成离子浓度沟槽。离子浓度沟槽是通过在带内的局部化加热来形成。例如，局部化加热可通过激光束的施加来提供。局部化加热使离子(例如，银离子)从离子交换层在玻璃基板内更深地扩散，这降低了离子浓度沟槽中的折射率。因此，在离子浓度沟槽之间形成离子交换波导。在这点上，在一个实施方式中，一种在离子交换的玻璃基板中形成波导的方法，所述离子交换的玻璃基板具有从所述离子交换的玻璃基板的表面延伸到层深度的离子交换层，所述方法包括在所述离子交换的玻璃基板的所述表面处局部加热至少一个带以在所述至少一个带内扩散所述离子交换层中的离子。在所述至少一个带内的离子的浓度小于在所述至少一个带外的离子的浓度，且至少一个波导界定于所述离子交换层内，邻近所述至少一个带。在另一实施方式中，一种在玻璃基板中形成波导的方法包括将所述玻璃基板暴露于离子交换溶液以形成从所述玻璃基板的表面延伸到层深度的离子交换层。所述方法进一步包括局部加热在所述玻璃基板的表面处的至少一个带以在所述至少一个带内扩散所述离子交换层中的离子，使得在所述至少一个带内的离子的浓度小于在所述至少一个带外的离子的浓度，且至少一个波导界定于所述离子交换层内，邻近所述至少一个带。额外特征和优势将在接下来的详细描述中阐述，且部分将对本领域的技术人员从那个描述而易于显而易见，或通过实践如本文中描述的实施方式来认识，包括接下来的详细描述、权利要求书以及附图。应理解，前述大体描述和接下来的详细描述都只是示范性，并且并不希望提供综述或框架来理解权利要求书的本质和特性。包括附图以提供进一步理解，且所述附图被并入并构成本说明书的一部分。所述图式说明实施方式，并且与描述一起用以解释各种实施方式的原理和操作。附图说明图1A示意性描绘根据本文中描述和示出的一个或多个实施方式的具有离子交换层的示例离子交换的玻璃基板；图1B示意性描绘根据本文中描述和示出的一个或多个实施方式的在图1A的离子交换层内形成离子浓度沟槽的示例局部化加热工艺；图1C示意性描绘根据本文中描述和示出的一个或多个实施方式的由离子浓度沟槽界定的离子交换波导；图2A示意性描绘根据本文中描述和示出的一个或多个实施方式的在离子交换工艺期间在玻璃基板中将钠离子交换成银离子；图2B示意性描绘根据本文中描述和示出的一个或多个实施方式的在离子交换的玻璃基板的表面上的包括激光束的示例局部化加热工艺；图3A示意性地描绘根据本文中描述和示出的一个或多个实施方式的示例第二步骤离子交换工艺，其中钠离子替换最接近化学交换的玻璃基板的表面的银离子；图3B示意性描绘根据本文中描述和示出的一个或多个实施方式的在第二步骤离子交换工艺后且包括减小的折射率层和离子交换层的示例离子交换工艺；图3C示意性描绘具有嵌入的离子交换波导的示例玻璃基板；图4示意性描绘根据本文中描述和示出的一个或多个实施方式的示例均匀加热工艺；图5A-5F图形描绘根据本文中描述和示出的一个或多个实施方式的在离子交换波导制造工艺期间在玻璃基板内的离子浓度分布；和图6A-6F图形描绘根据本文中描述和示出的一个或多个实施方式的在图5F的离子交换波导内的导引模式。具体实施方式本公开内容的实施方式是针对在不需要使用复杂且昂贵的图案掩模的玻璃基板内制造离子交换波导的方法。通常，玻璃基板经受离子交换工艺以形成具有比在离子交换层外的玻璃基板的区域高的折射率的离子交换层。然后在离子交换层内邻近离子交换波导的所要的位置形成离子浓度沟槽。离子浓度沟槽是通过在带内的局部化加热来形成。例如，局部化加热可通过激光束的施加来提供。局部化加热使离子(例如，银离子)从离子交换层在玻璃基板内更深地扩散，这降低了离子浓度沟槽中的折射率。因此，在离子浓度沟槽之间形成离子交换波导。以下详细描述用于在玻璃基板内制造离子交换波导的方法的各种实施方式。现参看图1A，示意性说明示例离子交换的玻璃基板100。取决于离子交换的玻璃基板100的最终用途，离子交换的玻璃基板100可具有任何所要的厚度。作为非限制性示例，离子交换的玻璃基板100可具有在50μm到4mm的范围中的厚度。离子交换的玻璃基板具有从表面102延伸到层深度(DOL)的离子交换层104。离子交换层104可通过任何已知或尚待开发的离子交换工艺形成于离子交换的玻璃基板100内。如图2A中所展示，通过用例如离子交换浴的离子交换溶液中存在的第二离子交换第一离子，离子交换工艺形成离子交换层104。可利用能够离子交换的任何玻璃基板，例如，硼硅酸盐、磷酸盐、铝硅酸盐、碱铝硅酸盐玻璃。在一个非限制性示例中，离子交换的玻璃基板100为铝硅酸盐玻璃，其中用第二离子交换钠离子，第二离子例如(但不限于)银、钾、铊、铯、铷和锂。作为示例且非限制，离子交换溶液可包括AgNO3。因此，在离子交换层104内存在比离子交换层外高的第二离子(例如，Ag+)浓度(例如，离子交换的玻璃基板100在离子交换层104的DOL下方的块体106)。归因于例如银的第二离子的存在，折射率在离子交换层104中比在离子交换层104外的区域中高。因此，在离子交换层104内传输的光将保留于其中。现参看图1B，通过在表面102处局部加热一个或多个带(例如，第一带105A和第二带105B)，个别窄波导形成于离子交换层104的离子交换层104内。所述带可呈任何配置，例如，直、弯曲等等。局部加热使均匀离子交换层104的离子局部扩散到离子交换的玻璃基板100的块体106内更深处，如由箭头108展示。在一个或多个带内的离子的耗尽在所述一个或多个带内形成一个或多个离子浓度沟槽，其中在所述一个或多个带内的离子的浓度低于在所述一个或多个带外的离子的浓度。因为折射率关于离子浓度主要地为线性，所以在加热达适当时间量后，形成带内的指数沟槽。局部本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种在离子交换的玻璃基板中形成波导的方法，所述离子交换的玻璃基板包括从所述离子交换的玻璃基板的表面延伸到层深度的离子交换层，所述方法包括在所述离子交换的玻璃基板的所述表面处局部加热至少一个带以在所述至少一个带内扩散所述离子交换层中的离子，其中：在所述至少一个带内的离子的浓度小于在所述至少一个带外的离子的浓度；和至少一个波导界定于所述离子交换层内，邻近所述至少一个带。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.08.26 US 15/248,0261.一种在离子交换的玻璃基板中形成波导的方法，所述离子交换的玻璃基板包括从所述离子交换的玻璃基板的表面延伸到层深度的离子交换层，所述方法包括在所述离子交换的玻璃基板的所述表面处局部加热至少一个带以在所述至少一个带内扩散所述离子交换层中的离子，其中：在所述至少一个带内的离子的浓度小于在所述至少一个带外的离子的浓度；和至少一个波导界定于所述离子交换层内，邻近所述至少一个带。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述离子交换的玻璃基板的折射率在所述波导内比在所述至少一个带内高。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中：所述至少一个带包括第一带和第二带；和所述至少一个波导安置于所述第一带与所述第二带之间。4.根据权利要求1到3中任一项所述的方法，其中所述波导从所述离子交换的玻璃基板的所述表面延伸。5.根据权利要求1到3中任一项所述的方法，其中所述波导的上表面安置于距所述离子交换的玻璃基板的所述表面的深度d处。6.根据权利要求1到3中任一项所述的方法，其中在所述离子交换的玻璃基板的所述表面处的离子浓度小于在所述离子交换的玻璃基板内的深度d处的离子浓度。7.根据权利要求1到6中任一项所述的方法，进一步包括在所述至少一个波导处局部加热所述离子交换的玻璃基板的所述表面，使得离子扩散发生于所述离子交换的玻璃基板的所述表面处，在所述离子交换的玻璃基板的所述表面处的离子浓度小于在所述离子交换的玻璃基板内的深度d处的离子浓度，且所述波导的上表面安置于距所述离子交换的玻璃基板的表面的深度d处。8.根据权利要求1到6中任一项所述的方法，其中局部加热所述至少一个带包括沿着所述至少一个带相对于所述离子交换的玻璃基板的所述表面平移激光束。9.根据权利要求8所述的方法，其中所述激光束为高斯激光束。10.根据权利要求8所述的方法，其中所述激光穿透所述离子交换的玻璃基板至少达所述层深度。11.根据权利要求8所述的方法，其中所述激光穿透所述离子交换的玻璃基板达为所述层深度至少四倍的深度。12.一种在玻璃基板中形成波导的方法，所述方法包括：将所述玻璃基板暴露于离子交换溶液以形成从所述玻璃基板的表面延伸到层深度的离子交换层；以及在所述玻璃基板的表面处局部加热至少一个带以在所述至少一个带内扩散所述离子交换层中的离子，使得：在所述至少一个带内的离子的浓度小于在所述至少一个带外的离子的浓度...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈明汉，明俊·李，彭高筑，
申请(专利权)人：康宁光电通信有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US