3dB分束器进展——adiabatic型定向耦合器

这篇笔记主要介绍下最近的一篇硅光器件进展，韩国一课题组基于adiabatic型定向耦合器，实现了超低损耗0.06dB和超高光学带宽100nm的3dB分束器，相关文章发表于Applied Sciences, 文章标题为"Low-Loss and Broadband Silicon Photonic 3-dB Power Splitter with Enhanced Coupling of Shallow- Etched Rib Waveguides"。

先来看一下该3dB分束器的结构，

（图片来自文献1）

该结构看上去非常简单，由三个taper型波导构成，最中间的taper宽度从w2变为w1, 而两侧的taper宽度从w1变为w2, 相邻taper波导的间距保持不变。具体参数为，w1=200nm, w2=700nm, gap=300nm, Ltaper=40um。为了增强耦合，波导均为浅刻蚀波导，刻蚀深度为60nm。光场的演化图案如下图所示，

（图片来自文献1）

为了更好地理解地模式的转化，小豆芽做了一些简单的仿真，下图是沿着波导传播方向，不同位置处的基模。随着中间taper波导宽度的减少以及两侧taper宽度的增加，光场逐渐从中间波导转移到两侧波导。由于结构对称，在输出端的两根波导中，光强均分。从模式转换的角度来理解，这三根taper构成一个整体，光场始终处于系统的基态。这种宽度渐变的结构，通常称为adabatic型结构。

Adabatic的概念，小豆芽之前的笔记介绍过，参看这篇笔记 光芯片中的adiabatic型结构，该结构的一大优势是工艺容差性较好。文献一中对该结构做了容差分析，结果如下图所示，

（图片来自文献1）

可以看出该结构对gap和波导宽度都不是特别敏感，对tip的宽度容忍度也比较好。这里没有给出对slab层厚度的容差分析，厚度对无源器件的影响较大。但是厚度主要由晶圆的性能决定，设计上的手段不多。

该3dB分束器的测试结果如下图所示，采用级联多个分束器的测试结构，

（图片来自文献1）

其插损为0.06dB，带宽达到100nm, 性能非常棒。

此外，文献中还列出了3dB分束器的进展，并做了简单的比较，如下图所示，

（表格来自文献1）

插损是已知文献报道里最好的，光学带宽也是优于其他结构，并且尺寸相对较小。

简单小结一下，该adiabatic型分束器结构简单，由三个taper型波导构成，其性能优异，插损和光学带宽指标都优于一般的MMI和Y型分束器。虽然无源器件看上去比较简单，但是还是有很多地方可以去挖掘创新的。

文章中如果有任何错误和不严谨之处，还望大家不吝指出，欢迎大家留言讨论。

参考文献：

1. Vinh Huu Nguyen，et.al., "Low-Loss and Broadband Silicon Photonic 3-dB Power Splitter with Enhanced Coupling of Shallow- Etched Rib Waveguides", Appled Science 10,4507(2020)