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
2023-12-30 16:21:12   来源:麦姆斯咨询   评论:0   点击:

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。

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。

基于定向耦合器的双工器设计参数示意图

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。

(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

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。

在各自输入端口发射的基本模式和高阶模式的场分布

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

在端口A和端口B发射的光波透射率特性

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。

(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

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。

论文链接:https://doi.org/10.1038/s41598-023-49889-2

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