微光子學憑借其高速處理速度、緊湊型尺寸以及將各種光學功能集成到單芯片的能力，在光譜和通信應用中都引起了極大的關注。而在通信領域，波分復用技術（WDM）在光信號處理中起著至關重要的作用。

據麥姆斯咨詢報道，近日，由意大利巴里理工大學（Politecnico di Bari）、愛爾蘭芒斯特理工大學（Munster Technological University）和愛爾蘭延德爾國家研究所（Tyndall National Institute）組成的科研團隊在Scientific Reports期刊上發表了以“Highly efficient and selective integrated directional couplers for multigas sensing applications”為主題的論文。該論文的第一作者兼通訊作者為Ajmal Thottoli。

在這項研究中，研究人員重點探討了一種在近紅外（NIR）區域工作的基于定向耦合器（DC）結構的低損耗、緊湊型雙工器的設計、優化和特性。該雙工器對1530 nm和1653.7 nm的目標波長表現出高選擇性和高耦合效率，使其適用于氨和甲烷的多種氣體檢測系統。圖1展示了集成激光器的基于定向耦合器的雙工器設計示意圖。

圖1 基于定向耦合器的雙工器設計參數示意圖

耦合器的輸入波導（W）尺寸已經經過優化，以便最大限度地提高透射率，同時匹配商用二極管激光器的輸出模式形狀，如圖2（a）所示。

圖2 （a）經數值計算的商用InP基二極管激光器的輸出光束輪廓（b）λ1處輸入波導的基本模式輪廓

激光器的高階模式可以通過引起模態干擾和串擾，從而顯著影響波導的透射率。為了考慮波導內模式的分布，研究人員探究了發射激光模式輪廓時的基本模式和高階模式的行為。圖3顯示了在各自輸入端口發射的基本模式和高階模式的場分布。在端口A（藍線）和端口B（紅線）發射波長范圍為1450 nm – 1800 nm的光束透射率特性如圖4所示。

圖3 在各自輸入端口發射的基本模式和高階模式的場分布

圖4 在端口A和端口B發射的光波透射率特性

圖5展示了本研究所制造的直流雙工器的細節，涉及對應端口B的波導錐形尖端，可用于減少任何可能使激光不穩定的反射。

圖5 （a）所制造的雙工器的顯微圖像（b）顯示波導錐形尖端（放大的虛線矩形框）的掃描電鏡（SEM）成像

綜上所述，這項研究展示了一種基于定向耦合器結構的緊湊型雙工器，該雙工器在1530 nm與1653.7 nm波長組合時具有較高的輸出功率耦合比。研究人員對各種模式下的耦合效率進行了全面的檢查和驗證，測試模式包括基本模式、高階模式和商用二極管激光器模式。

在1530 nm和1653.7 nm波長處，本研究所制器件的商用激光器模式的數值評估耦合效率可達79%。而對于相同的波長（1530 nm和1653.7 nm），實測的耦合效率分別為73%和77%。耦合效率的提升將大大提高檢測氨氣和甲烷氣體的靈敏度和選擇性。事實上，與其為每種氣體選用單獨的探測器系統，不如將片上激光器與傳感器相結合，并與本研究所研制的雙工器配合使用，從而實現多種氣體檢測。

審核編輯：劉清