宽带超紧凑型绝热耦合器

引言

2×2光学耦合器是光电子集成芯片(PICs)中的基本组件，在波分复用、调制和信号切换应用中发挥关键功能。虽然传统方向耦合器(DCs)被广泛使用，但它们在硅基光电子等高折射率对比度系统中表现出明显的波长敏感性。本文探讨了创新方法，用于创建宽带、超紧凑型绝热耦合器，以克服这些限制[1]。

1

传统耦合器的挑战

传统方向耦合器面临几个限制其在先进光子应用中性能的挑战。高波长敏感性导致耦合比在不同波长下显着变化，进而降低性能。其他替代方法，如多模干涉仪、亚波长光栅基方向耦合器和肋型波导基方向耦合器，通常存在相对较高的插入损耗、较大的占用面积或制造复杂性等问题。

理想的2×2耦合器应提供宽带操作、紧凑结构、任意耦合比能力和低损耗。虽然已提出多种方法来满足这些需求，但许多现有解决方案仍存在高插入损耗（在密集波分复用或切换应用中尤为问题）或需要大型器件占用面积等问题。

2

绝热耦合器设计原理

绝热耦合器是一种有前途的替代方案，通常由两个相邻的线性锥形波导组成。核心原理是逐渐锥化波导宽度，以在一个光学系统模式中维持功率。关键设计参数包括锥形长度，以及锥形开始和结束处的波导宽度差。锥形末端的宽度差特别重要，因为它允许操控耦合比。

提出的设计采用了新颖的优化方法，在保持极其紧凑尺寸的同时最小化波长敏感性。

图1：提出的锥形方向耦合器(a)和传统直线方向耦合器(b)的示意图，显示了关键设计元素和参数。

提出的绝热耦合器由两个线性锥形波导组成，宽度变化方向相反，锥形长度为L。这些锥形连接到输入/输出部分的低损耗TOPIC S型弯曲。波导宽度可以用数学方式描述，其中顶部和底部波导的初始和最终宽度分别为(W₁, W₂)和(W₃, W₄)。

3

关键设计创新：最小最大值优化

该设计最显着的创新来自优化方法。研究人员没有直观选择参数，而是制定了最小最大值优化问题：

为了在特定比率下实现宽带耦合，必须优化ΔW和L以最小化目标波长范围内（1.25-1.37 µm）所需耦合比的耦合偏差。这被表述为最小最大值优化问题，旨在最小化交叉耦合功率与目标值在目标波长范围内的最大偏差。

图2：在120 nm波长范围内，3-dB耦合器从0.5的最大交叉耦合偏差，作为锥形长度(L)和初始波导宽度差(ΔW)的函数。

通过解决这个优化问题，3-dB耦合器的耦合变化可以最小化到仅0.02（在所提供的波长范围内），ΔW = 0.06 μm，超紧凑锥形长度L = 1.44 μm。

4

性能优势

优化设计与传统方向耦合器相比展示了显着改进：

图3：提出的绝热耦合器(a)与传统方向耦合器(b)在覆盖O波段的120 nm波长范围内的光学传输比较。

耦合光谱显示，与传统直线方向耦合器相比，耦合变化减少了16.6倍。这代表了在所呈现的波长范围内，兼容标准硅基光电子制造平台的硅绝热耦合器最小的耦合变化。

5

绝热特性验证

为验证所提出耦合器的绝热特性，在锥形区域中间提取了TE偶模和奇模的功率约束比。Hy场图显示，在λ = 1.31 μm时，约98.3%的功率保持在TE偶模中，仅约1.7%在TE奇模中。这种平滑的模式演化证实了锥形过程的绝热特性。

图4：提出的3-dB耦合器的Hy场图(a)，以及耦合器中间的TE偶模(b)和奇模(c)功率展开。

6

各种耦合比的灵活性

这种设计方法的主要优势之一是在保持宽带操作的同时实现不同耦合比的灵活性。

锥形百分比(tp)促进模式演化以实现相应的分束比。例如，通过保持相等的输出波导宽度可以实现3-dB分束。锥形长度(L)影响耦合量并直接控制交叉耦合值。锥形开始处的波导宽度差(ΔW)影响设计的不对称性，较大的值允许较低的交叉耦合，较小的值实现较大的交叉耦合。

图5：各种交叉耦合值(a)的宽带耦合演示以及锥形长度和锥形百分比之间的二次关系(b)。

固定ΔW = 0.06 μm时，可以在0.2、0.3、0.4、0.5和0.55的耦合比下实现宽带耦合。为获得最佳宽带耦合，锥形长度和锥形百分比（等于所需的交叉耦合比）之间存在二次关系。如预期，较大的交叉耦合比需要较大的锥形长度。

7

结论

这种绝热耦合器设计的创新方法解决了光电子集成芯片中的关键挑战。通过制定并解决耦合偏差的最小最大值优化问题，波长敏感性得到显着降低。所展示的3-dB绝热耦合器在120 nm波长范围内实现了仅0.02的耦合变化，锥形长度超紧凑，为1.44 μm - 这是文献中报道的最短长度。

该设计提供≤0.03 dB的插入损耗，并通过调整最终锥形的波导宽度支持任意耦合比。总体而言，这种耦合器设计方案通过结合宽带操作、超紧凑尺寸、低损耗和灵活的耦合比，为下一代光子应用提供了更佳的2×2耦合器。

参考文献

[1] A. Bayoumi et al., "Broadband and Ultra-Compact Adiabatic Coupler Based on Linearly Tapered Silicon Waveguides," arXiv:2504.20512v2 [physics.optics], Apr. 2025, doi: 10.48550/arXiv.2504.20512.

END