本發(fā)明涉及光通信、光互聯(lián)以及光器件集成領(lǐng)域，具體地，涉及一種集偏振濾波器和層間均等耦合器的光互聯(lián)器件。

背景技術(shù)：

近年來，絕緣體上硅(silicon-on-insulator,soi)由于其與成熟的cmos工藝相兼容且低成本而受到研究人員的廣泛關(guān)注。并且由于高折射率對(duì)比，使得soi材料有利于更緊湊、大規(guī)模、高密度的光子集成。然而高折射率差也給器件帶來強(qiáng)烈的偏振敏感性；另外，三維的層間芯片有利于進(jìn)一步縮小器件尺寸、提供更集成，更緊湊的片上光子回路。因此不同層間的高速率通信成為亟待解決的問題。

目前，在片上主要采用偏振分集方案來解決偏振敏感性問題，其中偏振分束器，偏振濾波器和偏振旋轉(zhuǎn)器是必備部件。眾多的器件結(jié)構(gòu)已經(jīng)被報(bào)道可用于片上偏振分束處理，包括：非對(duì)稱定向耦合器、多模干涉耦合器、馬赫-曾德爾干涉儀、光子晶體、光柵等等，然而這些結(jié)構(gòu)還存在一些問題，比如器件耦合長度較長，偏振消光比低，工作帶寬窄，器件結(jié)構(gòu)容差小和制造復(fù)雜等情況。因此，新的偏振控制方法或器件工作原理仍然需要進(jìn)一步研究來實(shí)現(xiàn)高性能偏振控制；三維不同層間的耦合，可以利用定向耦合器實(shí)現(xiàn)，然而這需要高的對(duì)準(zhǔn)精度并帶來制造復(fù)雜度。利用光柵的天然耦合優(yōu)勢，可以實(shí)現(xiàn)大構(gòu)造容差的層間耦合器。但是，不同強(qiáng)度的層間耦合信號(hào)會(huì)給后續(xù)信號(hào)處理帶來成本壓力，因此需要設(shè)計(jì)光柵結(jié)構(gòu)解決不同層間耦合信號(hào)強(qiáng)度大小問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種集偏振濾波器和層間均等耦合器于一體的光互聯(lián)器件。

根據(jù)本發(fā)明提供的一種集偏振濾波器和層間均等耦合器的光互聯(lián)器件，包括：平板光波導(dǎo)、偏振濾波光柵、層間均等耦合光柵、底層二氧化硅和頂層二氧化硅，所述平板光波導(dǎo)位于所述的底層二氧化硅之上，所述偏振濾波光柵和所述層間均等耦合光柵位于所述平板光波導(dǎo)之上，所述頂層二氧化硅位于所述偏振濾波光柵和所述層間均等耦合光柵之上，所述偏振濾波光柵位于所述層間均等耦合光柵之前；

te和tm偏振光從所述平板光波導(dǎo)輸入，其中一種偏振光被所述偏振濾波光柵耦合成反向傳輸，另一偏振光透射所述偏振濾波光柵到達(dá)所述層間均等耦合光柵，并被所述層間均等耦合光柵向上、向下均等耦合輸出。

優(yōu)選的，所述偏振濾波光柵為te偏振濾波光柵，te和tm偏振光從所述平板光波導(dǎo)輸入，tm偏振光被所述te偏振濾波光柵耦合成反向傳輸，而te偏振光直接穿過所述te偏振濾波光柵到達(dá)所述層間均等耦合光柵，并被所述層間均等耦合光柵向上、向下均等耦合輸出。

優(yōu)選的，輸入的tm偏振光滿足耦合方程：kin-kg＝-k0neff，而輸入的te偏振光不滿足耦合方程，其中，kin為向前傳輸模式，kg為光柵矢量，k0neff為反向傳輸模式。

優(yōu)選的，所述偏振濾波光柵為tm偏振濾波光柵，te和tm偏振光從所述平板光波導(dǎo)輸入，te偏振光被所述tm偏振濾波光柵耦合成反向傳輸，而tm偏振光直接穿過所述tm偏振濾波光柵到達(dá)所述層間均等耦合光柵，并被所述層間均等耦合光柵向上、向下均等耦合輸出。

優(yōu)選的，輸入的te偏振光滿足耦合方程：kin-kg＝-k0neff，而輸入的tm偏振光不滿足耦合方程，其中，kin為向前傳輸模式，kg為光柵矢量，k0neff為反向傳輸模式。

優(yōu)選的，所述層間均等耦合光柵使透射所述偏振濾波光柵的偏振光滿足光柵衍射方程：kin-kg＝0，其中，kin為向前傳輸模式，kg為光柵矢量。

優(yōu)選的，所述層間均等耦合光柵的占空比是線性改變的，降低由于折射率不匹配而引起的入射光的反射。

優(yōu)選的，所述層間均等耦合光柵的高度是線性改變的，利用薄膜共振原理,使得入射光在寬波帶范圍內(nèi)被向上、向下均等耦合輸出。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

利用亞波長光柵衍射耦合原理，使得平板光波導(dǎo)里的某一特定偏振光的不同傳輸模式之間實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，由向前傳輸模式轉(zhuǎn)成反向傳輸模式，而另一偏振光沒有發(fā)生模式之間相互轉(zhuǎn)換，直接傳輸過去不受影響，從而達(dá)到偏振濾波效果。使用該原理制作的偏振濾波器，具有高消光比、寬帶寬、低損耗、易制作、構(gòu)造容差大和緊湊的特性。并且層間均等耦合器的引入，提供了寬帶寬、高密度的層間均等耦合方法。將所述偏振濾波器和層間均等耦合器集成在一起組成的光互聯(lián)器件，在三維層間光互聯(lián)、量子光通信和量子計(jì)算中有廣闊的應(yīng)用前景。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：

圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的總體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的偏振濾波光柵的橫截面圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的偏振濾波光柵的原理示意圖，其中k0＝2π/λ,π為圓周率λ位真空中波長，nsi為硅的折射率，為二氧化硅的折射率，neff為偏振濾波光柵中傳輸光的等效折射率；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的te偏振濾波光柵內(nèi)部存在模式的等效折射率與波長關(guān)系示意圖；

圖5是本發(fā)明實(shí)施例提供的tm偏振濾波光柵內(nèi)部存在模式的等效折射率與波長關(guān)系示意圖；

圖6是本發(fā)明實(shí)施例提供的te偏振濾波光柵透過率圖；

圖7是本發(fā)明實(shí)施例提供的tm偏振濾波光柵透過率圖；

圖8是本發(fā)明實(shí)施例提供的層間均等耦合光柵的原理示意圖，其中θ角為入射光在層間均等耦合器中傳輸方向與y軸的夾角；

圖9是本發(fā)明實(shí)施例提供的te層間均等耦合光柵的結(jié)構(gòu)圖；

圖10是本發(fā)明實(shí)施例提供的tm層間均等耦合光柵的結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變化和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的總體結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例結(jié)構(gòu)包括：平板光波導(dǎo)1，偏振濾波光柵2，層間均等耦合光柵3，底層二氧化硅4和頂層二氧化硅5。平板光波導(dǎo)1位于底層二氧化硅4之上，偏振濾波光柵2和層間均等耦合光柵3位于平板光波導(dǎo)1之上，頂層二氧化硅5位于偏振濾波光柵2和層間均等耦合光柵3之上。偏振濾波光柵2起偏振濾波器作用，并位于起層間均等耦合器作用的層間均等耦合光柵3之前。

其中，平板光波導(dǎo)1、偏振濾波光柵2、層間均等耦合光柵3的材料是硅；底層二氧化硅4和頂層二氧化硅5的材料是二氧化硅。

如圖2所示，te和tm偏振光從平板光波導(dǎo)1輸入，經(jīng)過偏振濾波器2后僅有一種偏振光：te偏振光或tm偏振光直接穿過并到達(dá)層間均等耦合器3左端，而另一個(gè)偏振光信號(hào)被反射回去。如果是te偏振濾波器則tm光被反射回去，而te偏振光不受影響直接穿過；如果是tm偏振濾波器則te光被反射回去，而tm偏振光不受影響直接穿過。

其中，對(duì)于te偏振濾波器，設(shè)計(jì)合理的平板光波導(dǎo)厚度、偏振濾波光柵的高度、占空比和周期，使得平板波導(dǎo)中存在合理的te、tm模式分布，通過亞波長光柵衍射作用，使得tm光被耦合成反向傳輸模式，而te光傳輸模式不受影響，實(shí)現(xiàn)tm偏振濾波。對(duì)于tm偏振濾波器同樣合理設(shè)計(jì)所述結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以使得te光被耦合成反向傳輸模式，而tm光傳輸模式不受影響，實(shí)現(xiàn)te偏振濾波。

其中，對(duì)于直接穿過te偏振濾波器的te光，設(shè)計(jì)te層間均等耦合器，使其被向上和向下均等耦合輸出；對(duì)于直接穿過tm偏振濾波器的tm光，設(shè)計(jì)tm層間均等耦合器，使其被向上和向下均等耦合輸出(各50％)。層間均等耦合器是利用層間均等耦合光柵的衍射原理，將在光波導(dǎo)中傳輸?shù)墓怦詈铣啥趸柚袀鬏數(shù)墓?。層間均等耦合光柵的占空比是線性改變的，其目的在于降低由于折射率不匹配而引起的入射光的反射，降低器件插入損耗。并且其高度也是線性改變的，其目的在于利用共振原理使得入射光在寬波帶范圍內(nèi)被向上、向下均等耦合輸出。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的偏振分束器的原理示意圖。如圖3所示，從三層平板波導(dǎo)輸入的向前傳輸模式kin,被亞波長光柵衍射耦合成反向傳輸模式k0neff,光柵衍射方程為kin-kg＝-k0neff，其中kg是光柵矢量，kg＝2π/t，π為圓周率，t為偏振濾波光柵周期。通過設(shè)計(jì)輸入平板波導(dǎo)厚度、偏振濾波光柵的高度、占空比、周期，使得偏振濾波器內(nèi)部存在合理的模式分布，并只有某一特定偏振光滿足光柵衍射方程，而另外一個(gè)偏振光不滿足光柵衍射方程，因此不受影響直接傳輸過去。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的te偏振分束器內(nèi)部存在模式的等效折射率與波長關(guān)系示意圖。如圖4所示，te偏振分束器內(nèi)部僅存在te0和tm0模式，其中tm0模式滿足光柵衍射方程被衍射成反向傳輸模式-tm0，而te0模式光不滿足光衍射方程，因此不能衍射成反向傳輸模式而直接傳輸過去。實(shí)施例提供的te偏振濾波器的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：平板光波導(dǎo)300nm，偏振濾波光柵高度110nm、占空比0.5、周期300nm，光柵個(gè)數(shù)大于或等于35。

圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的tm偏振分束器內(nèi)部存在模式的等效折射率與波長關(guān)系示意圖。如圖5所示，tm偏振分束器內(nèi)部僅存在te0、te1和tm0模式，其中te0模式滿足光柵衍射方程被衍射成反向傳輸模式-te1，而tm0模式光不滿足光衍射方程，因此不能衍射成反向傳輸模式而直接傳輸過去。實(shí)施例提供的tm偏振分束器的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：平板光波導(dǎo)厚度340nm，偏振濾波光柵高度為290nm、占空比0.6、周期300nm，光柵個(gè)數(shù)大于或等于35。

圖6為本發(fā)明實(shí)施例提供的te偏振濾波器透過率圖。如圖6所示，te偏振濾波器的30db帶寬為76nm從1505nm到1582nm。

圖7為本發(fā)明實(shí)施例提供的tm偏振濾波器透過率圖。如圖7所示，tm偏振濾波器的30db帶寬為86nm從1500nm到1586nm。

圖8為本發(fā)明實(shí)施例提供的層間均等耦合器的原理示意圖。從偏振濾波器穿透過的偏振光滿足光柵衍射方程：kin-kg＝0，受層間均等耦合光柵的衍射作用，從平板光波導(dǎo)傳輸模式轉(zhuǎn)換成二氧化硅層傳輸模式。

圖9為本發(fā)明實(shí)施例提供的te層間均等耦合器的結(jié)構(gòu)圖。如圖所示，在1510nm到1600nm帶寬內(nèi)向上和向下衍射光的透射率小于等于3％。實(shí)施例提供的te層間均等耦合器的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：其平板光波導(dǎo)厚度為300nm、光柵周期為1300nm、光柵個(gè)數(shù)為38、光柵占空比變化規(guī)律為0.15+(0.84/38)*i,光柵高度變化規(guī)律為368+(257/38)*inm，所述i代表第i個(gè)光柵。

圖10為本發(fā)明實(shí)施例提供的tm層間均等耦合器的結(jié)構(gòu)圖。如圖所示，在1500nm到1580nm帶寬內(nèi)向上和向下衍射光的透射率小于等于3％。實(shí)施例提供的tm層間均等耦合器的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：其平板光波導(dǎo)厚度為340nm、光柵周期為784nm、光柵個(gè)數(shù)為80、光柵占空比變化規(guī)律為0.3+(0.42/80)*i,光柵高度變化規(guī)律為83+(425/80)*inm，所述i代表第i個(gè)光柵。

綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例提供的集偏振濾波和均等層間耦合器的光互聯(lián)器件具有如下優(yōu)點(diǎn)：1偏振濾波器具有高消光比、寬帶寬、低損耗、易制作、構(gòu)造容差大和緊湊的特性。2層間均等耦合器的引入，提供了寬帶寬、高密度的層間均等耦合方法。將所述偏振濾波器和層間均等耦合器集成在一起組成的光互聯(lián)器件，可應(yīng)用在三維層間光互聯(lián)、量子光通信和量子計(jì)算中。

以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變化或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。在不沖突的情況下，本申請(qǐng)的實(shí)施例和實(shí)施例中的特征可以任意相互組合。