基于定向耦合器结构的低损耗、紧凑型双工器，赋能多种气体传感开发

微光子学凭借其高速处理速度、紧凑型尺寸以及将各种光学功能集成到单芯片的能力，在光谱和通信应用中都引起了极大的关注。而在通信领域，波分复用技术（WDM）在光信号处理中起着至关重要的作用。

据麦姆斯咨询报道，近日，由意大利巴里理工大学（Politecnico di Bari）、爱尔兰芒斯特理工大学（Munster Technological University）和爱尔兰延德尔国家研究所（Tyndall National Institute）组成的科研团队在Scientific Reports期刊上发表了以“Highly efficient and selective integrated directional couplers for multigas sensing applications”为主题的论文。该论文的第一作者兼通讯作者为Ajmal Thottoli。

在这项研究中，研究人员重点探讨了一种在近红外（NIR）区域工作的基于定向耦合器（DC）结构的低损耗、紧凑型双工器的设计、优化和特性。该双工器对1530 nm和1653.7 nm的目标波长表现出高选择性和高耦合效率，使其适用于氨和甲烷的多种气体检测系统。图1展示了集成激光器的基于定向耦合器的双工器设计示意图。

图1 基于定向耦合器的双工器设计参数示意图

耦合器的输入波导（W）尺寸已经经过优化，以便最大限度地提高透射率，同时匹配商用二极管激光器的输出模式形状，如图2（a）所示。

图2 （a）经数值计算的商用InP基二极管激光器的输出光束轮廓（b）λ1处输入波导的基本模式轮廓

激光器的高阶模式可以通过引起模态干扰和串扰，从而显著影响波导的透射率。为了考虑波导内模式的分布，研究人员探究了发射激光模式轮廓时的基本模式和高阶模式的行为。图3显示了在各自输入端口发射的基本模式和高阶模式的场分布。在端口A（蓝线）和端口B（红线）发射波长范围为1450 nm – 1800 nm的光束透射率特性如图4所示。

图3 在各自输入端口发射的基本模式和高阶模式的场分布

图4 在端口A和端口B发射的光波透射率特性

图5展示了本研究所制造的直流双工器的细节，涉及对应端口B的波导锥形尖端，可用于减少任何可能使激光不稳定的反射。

图5 （a）所制造的双工器的显微图像（b）显示波导锥形尖端（放大的虚线矩形框）的扫描电镜（SEM）成像

综上所述，这项研究展示了一种基于定向耦合器结构的紧凑型双工器，该双工器在1530 nm与1653.7 nm波长组合时具有较高的输出功率耦合比。研究人员对各种模式下的耦合效率进行了全面的检查和验证，测试模式包括基本模式、高阶模式和商用二极管激光器模式。

在1530 nm和1653.7 nm波长处，本研究所制器件的商用激光器模式的数值评估耦合效率可达79%。而对于相同的波长（1530 nm和1653.7 nm），实测的耦合效率分别为73%和77%。耦合效率的提升将大大提高检测氨气和甲烷气体的灵敏度和选择性。事实上，与其为每种气体选用单独的探测器系统，不如将片上激光器与传感器相结合，并与本研究所研制的双工器配合使用，从而实现多种气体检测。

审核编辑：刘清