三维3D光子芯片到光纤插入器制造技术

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。

Three dimensional 3D photonic chip to optical fiber inserter

Including a manufacturing method, optical coupling device: the substrate platform (1450) to form waveguide mask layer (1470), wherein the waveguide mask layer (1470) includes an array (1471), the opening of the array (1471) including a first end and a second end opposite the first end, the substrate platform (1450) immersed in salt melt containing ions (1480), by ion diffusion process on the substrate platform (1450) formed in the waveguide array, and control the immersion rate, make the diffusion depth of the ions as from the first end to the second end of the party to the function of the distance of changes, including the waveguide array extending from the first end to the second end of the direction.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】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。
技术介绍
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。
技术实现思路
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(planarlightwavecircuit，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-modefiber，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3DPIC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3DPIC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3DPIC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3DPIC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3DPIC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3DPLC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)平本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.05.04 US 14/703,2291.一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...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋嘉，
申请(专利权)人：华为技术有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44