Y型分束器

这一篇笔记梳理下Y型分束器的相关知识点。Y型分束器作为集成光路中的一个基本元件，其结构非常简单，也就是Y型，其主要作用是实现光的分束与合束。

1. 工作原理

Y型分束器的典型结构如下图所示，主要由三部分构成，branch区域、taper区域和直波导区域。

(图片来自文献1)

光如果从右侧直波导输入，由于结构上下对称，分支区域的两个端口中光强应该相等，相位相同。这一点是非常直观的。但如果光从左侧Y型中的某一个端口输入，能量怎么分布，似乎就不是那么直观。

从波导模式出发，由距离逐渐缩小的两根波导构成的branch区域，支持对称模与反对称模（类似定向耦合器）。随着gap的减小，对称模与反对称模的有效折射率差异越来越大。而taper区域仅支持对称模式，反对称模式无法形成光的有效传播，将会散射到衬底中。

（图片来自文献1）

1）当两个端口中输入的光强度与振幅相同，激发系统的对称模，该对称模传播到taper区域时，转化为taper波导的基模，未发生能量的损耗。

2）当两个端口中输入的光强度相同，相位相反时，激发系统的反对称模，当光传播到taper区域时，无法转变为基模，而是全部散射到衬底中。

3）如果只从某一个端口输入，此时光场可以看成对称模与反对称模的叠加，因此当光传播到taper区域时，会有一半的能量损失掉，最终只有50%的光传输到右侧的直波导中。

上述的这三种输入情况，对应下图，

（图片来自文献1）

2. 主要参数

对于Y型分束器，其主要性能参数是插损和尺寸。因此在设计Y型分束器时，出发点比较直接，如何用较小的器件，实现较小的插损。目前文献报道的最好的结果是，单个器件插损0.28dB，尺寸为1.2umx2um, 设计时采用了PSO算法寻找最优的结构参数，如下图所示。这是7年前的报道结果，小豆芽没有搜索到更优的结果。如果有更好的结果，欢迎大家补充。

（图片来自文献2）

3. 主要应用

Y型分束器的主要作用是分束与合束，由于其天然的对称性，工作带宽较宽。其常用于Mach-Zehnder干涉器中，如下图所示，

（图片来自文献3）

另外一个比较有趣的设计，将Y型分束器设计成不对称的结构，进而实现任意比例的分束，如下图所示，

（图片来自文献4）

以上是对Y型分束器的简单梳理，作为光路中最基本的器件之一，Y型分束器的结构简单，尺寸较小，工作带宽非常宽。

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. M. Izutsu, et.al., "Operation mechanism of the single-mode optical-waveguide Y junction", Opt. Lett. 7,136(1982)
2. Y. Zhang, et.al., "A compact and low loss Y-junction for submicron silicon waveguide", Opt. Exp. 21, 1310(2013)
3. S. Shreyas, et.al., "External modulators and, Electro-optic Mach-Zehnder modulator - modelling and analysis using Matlab", IJAIST 2016
4. Z. Lin, et.al., "Broadband, low-loss silicon photonic Y-junction with an arbitrary power splitting ratio", Opt. Exp. 27, 14338(2019)