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

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，由意大利巴里理工大學(xué)（Politecnico di Bari）、愛爾蘭芒斯特理工大學(xué)（Munster Technological University）和愛爾蘭延德爾國家研究所（Tyndall National Institute）組成的科研團(tuán)隊在Scientific Reports期刊上發(fā)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(qū)域工作的基于定向耦合器（DC）結(jié)構(gòu)的低損耗、緊湊型雙工器的設(shè)計、優(yōu)化和特性。該雙工器對1530 nm和1653.7 nm的目標(biāo)波長表現(xiàn)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(tǒng)。圖1展示了集成激光器的基于定向耦合器的雙工器設(shè)計示意圖。

圖1 基于定向耦合器的雙工器設(shè)計參數(shù)示意圖

耦合器的輸入波導(dǎo)（W）尺寸已經(jīng)經(jīng)過優(yōu)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(jīng)數(shù)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(dǎo)的基本模式輪廓

激光器的高階模式可以通過引起模態(tài)干擾和串?dāng)_，從而顯著影響波導(dǎo)的透射率。為了考慮波導(dǎo)內(nèi)模式的分布，研究人員探究了發(fā)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(fā)射的基本模式和高階模式的場分布。在端口A（藍(lán)線）和端口B（紅線）發(fā)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(fā)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(fā)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(xì)節(jié)，涉及對應(yīng)端口B的波導(dǎo)錐形尖端，可用于減少任何可能使激光不穩(wěn)定的反射。

圖5 （a）所制造的雙工器的顯微圖像（b）顯示波導(dǎo)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(jié)構(gòu)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(jìn)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(shù)值評估耦合效率可達(dá)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(tǒng)，不如將片上激光器與傳感器相結(jié)合，并與本研究所研制的雙工器配合使用，從而實現(xiàn)多種氣體檢測。

審核編輯：劉清