寬頻、低損耗的矽基彎曲波導50:50定向耦合器設計

定向耦合器（Directional Coupler, DC）是矽光子元件中關鍵的組件之一，廣泛應用於功率分光、調變器與波分多工（WDM）等功能。但傳統直線型DC因材料色散，導致耦合比隨波長變化，無法在寬頻範圍內維持理想的50:50分光比例，影響系統穩定性與效能。

過去為提升寬頻性能，研究者嘗試設計漸變式或非對稱波導DC。然而這些方法通常需長距離傳輸（>300 μm）且易產生額外損耗，或對製程極度敏感，難以實現大規模整合與穩定製造。

技術創新：以彎曲波導實現寬頻與高容錯的50:50耦合

本研究提出一種以彎曲波導（Bent Waveguide）構成的定向耦合器，透過幾何設計取代傳統波導寬度差異，實現寬頻、製程容錯與低損耗的三重優勢。

核心設計採用兩條等寬波導，以曲率半徑 R=25μm 與耦合角度θ = 8.5°∘ 控制耦合長度。低損耗彎曲波導技術確保耦合過程中不產生額外能量損失。

耦合模型與實驗結果：大幅壓抑波長敏感度

基於耦合模理論，傳統直線DC耦合率κ 2隨波長呈線性變化（dκ2/dλ = 4.59 μm-1，而本設計中的彎曲DC透過幾何參數優化，使 dκ2/dλ ≈0，實現波長不敏感特性。

實驗結果顯示，於80 nm範圍內（涵蓋常用通信波段），本設計的耦合比變異度僅為0.076，遠低於傳統設計的0.369，並優於目前已知文獻中其他寬頻耦合器。

結論

本研究建立一套以幾何參數優化為核心的定向耦合器設計模型，成功實現低耦合變異（0.076）、無明顯損耗且製程容錯佳的彎曲波導50:50耦合器。此結果顯示，透過改變波導路徑幾何而非材料或尺寸差異，可有效解決矽光子系統中的波長敏感問題，為高穩定、高整合度的光子電路提供可靠解法。

參考資料

[1] H. El-Saeed et al., "Wavelength-insensitive and Lossless 50:50 Directional Coupler Based on Silicon Bent Waveguides," imec, Kapeldreef 75, 3001 Leuven, Belgium; Photonics Research Group, Department of Information Technology, Ghent University-imec, Ghent, Belgium, 2024, pp. 1-6, doi: 979-8-3503-9404-7/24/$31.00 ©2024 IEEE.