Um die Einschränkungen der symmetrischen Struktur eines gleichmäßigen Gitters zu überwinden und die Kopplungseffizienz der siliziumbasierten optoelektronischen integrierten Lichtquelle weiter zu verbessern, wird in dieser Arbeit ein effizienter stufenförmiger Gitterkoppler auf einer Siliziumstruktur auf Isolatorsubstrat vorgeschlagen. Dieser ist geeignet für die Kopplung von vertikal strahlenden Oberflächenlasern (VCSEL) an integrierte siliziumphotonic Schaltkreise und reduziert die anspruchsvollen Prozessanforderungen an den Kopplungswinkel von VCSELs. Die Methode erreicht die Anpassung der Bragg-Bedingung durch gleichzeitige Veränderung der Gitterperiode und des Tastgrades sowie durch Optimierung der Ätztiefe des Gitters, wodurch die Verteilung des Beugungsfeldes besser mit der gaußschen Felverteiltung übereinstimmt. Zudem wurden zwei Strukturen optimiert: ein gleichmäßiger Gitterkoppler mit festem Zeitraum und Tastgrad sowie ein frontaler progressiver Gitterkoppler mit fixer Periode und variablem Tastgrad. Zum Vergleich wurde die Wirksamkeit des progressiven Gitterkoppler-Designs verifiziert, das neben der Steigerung der Kopplungseffizienz auch die Kopplungsdirektionalität des VCSEL-Einfallswinkels erhöht, wodurch die Kopplungsrichtung des VCSEL-Geräts flexibler wird. Numerische Simulationsergebnisse zeigen, dass die maximale Kopplungseffizienz der gleichmäßigen Gitter-, frontalen progressiven Gitter- und progressiven Gitterkoppler jeweils 54,62 % (-2,63 dB), 60,18 % (-2,21 dB) und 64,55 % (-1,90 dB) beträgt. Dank der Designoptimierung weist die Struktur eine Toleranz des Lichtquelleneinfallswinkels von 6° bis 21° auf, wodurch die Komplexität des experimentellen Prozesses erheblich reduziert wird. Numerische Berechnungsergebnisse bestätigen die Zuverlässigkeit der Methode und demonstrieren das Potenzial, ohne Rückspiegel durch eine auf Silizium basierende heterogene Integrationsstruktur eine Kopplungseffizienz von bis zu 64,55 % (-1,90 dB) und eine große Einfallswinkeltoleranz zu erreichen. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass der im Wellenlängenbereich von 1500 bis 1600 nm entworfene Gitterkoppler bei verschiedenen Einfallswinkeln der Faser eine hohe Kopplungseffizienz und eine bessere Kopplungsdirektionalität aufweist.

siliziumbasierte optoelektronische Integration; Modenanpassung; Einfalltoleranz; Kopplungseffizienz; Gitterkoppler