KIP-Veröffentlichungen

Richtkoppeln (DCs) spielen in der integrierten Photonik eine unverzichtbare Rolle. Dank ihrer geringen Verluste sind sie die erste Wahl für Aufgaben wie Leistungsteilung und Rekombination und dienen als grundlegende Bausteine für Interferometrie- und Multiplexanwendungen. Herkömmliche DCs leiden jedoch unter einer erheblichen Wellenlängenempfindlichkeit, was ihre Bandbreite einschränkt. Diese Arbeit schlägt ein neues Richtkopplerdesign auf der Si₃N₄-Plattform vor, um diese Einschränkung zu beheben. Das in dieser Arbeit vorgestellte Design nutzt Euler-Biegungen, um den Wellenlängengang des Teilungsverhältnisses zu glätten und die Verluste zu minimieren. Die Methodik umfasste Simulationen mit ANSYS Lumerical©, die Finite-Differenzen-Eigenmode- (FDE) und Finite-Differenzen-Methode im Zeitbereich (FDTD) umfassten. Ein Partikelschwarm-Optimierungsalgorithmus (PSO) sorgt für die Feinabstimmung der Geräteparameter. Mach-Zehnder-Interferometer (MZI) und Kaskadenstrukturen werden hergestellt, um das Aufspaltungsverhältnis und die Verluste im nahen Infrarotbereich experimentell zu charakterisieren. Dabei werden Richtungskoppler mit einem Aufspaltungsverhältnis von 50:50, einer 0.5 dB Bandbreite von >160 nm und einer Einfügungsdämpfung von insgesamt 0.4 dB in SiN demonstriert. Die Methode wird auch an photonischen Plattformen zusätzlich zu SiN wie Si und LiNbO₃ angewendet. Ihre Integration verspricht die Realisierung von wellenlängenunabhängigen Architekturen mit bemerkenswert niedrigen Verlusten.

Directional couplers (DCs) play an indispensable role in integrated photonics. Thanks to their low loss, they stand as the ubiquitous choice for tasks such as power division and recombination, as well as serving as the fundamental building blocks for interferometry and multiplexing applications. However, conventional DCs suffer from substantial wavelength sensitivity, restricting their bandwidth. This thesis proposes a new directional coupler design on the Si₃N₄ platform to address this limitation. The design presented in this work leverages Euler bends to flatten the wavelength response of the device splitting ratio and minimize losses. The methodology involved simulations employing ANSYS Lumerical©, encompassing finite-difference-eigenmode (FDE) and finite-difference-time-domain (FDTD) solvers. A particle swarm optimization algorithm (PSO) further fine-tunes device parameters. Mach-Zehnder Interferometers (MZI) and cascade structures are fabricated to experimentally characterize the splitting ratio and losses in the near-infrared range, demonstrating directional couplers with 50:50 splitting ratio, a 0.5 dB bandwidth of >160 nm and an overall insertion loss of 0.4 dB in SiN. The method is also applied in a wide range of photonic platforms in addition to SiN such as Si and LiNbO₃. Integrating these promises the realization of wavelength-independent architectures with remarkably low losses.