Um die Einschränkungen der symmetrischen Struktur des gleichmäßigen Gitters zu überwinden und die Koppelungseffizienz der auf Silizium basierenden photonischen integrierten Lichtquelle weiter zu verbessern. Diese Studie schlägt das Design eines hocheffizienten progressiven Gitterkopplers auf Siliziumstruktur auf isolierendem Substrat vor, geeignet für die Kopplung eines vertikal emittierenden Oberflächenlasers (VCSEL) an eine siliziumbasierte photonische integrierte Schaltung, wodurch die Anforderungen an den Bondwinkel für VCSEL in der Fertigung reduziert werden. Die Methode passt durch gleichzeitige Änderung der Gitterperiode und des Tastgrads sowie Optimierung der Ätztiefe die Bragg-Bedingungen an, sodass die Beugungsfeldverteilung besser mit der Gaußschen Feldverteilung übereinstimmt. Zudem wurden zwei Strukturen optimiert: ein regelmäßiger Gitterkoppler mit festem Zeitraum und Tastgrad sowie ein frontseitiger progressiver Gitterkoppler mit festem Zeitraum und variablem Tastgrad. Der Vergleich bestätigt die Wirksamkeit des Designs des progressiven Gitterkopplers, der neben der Steigerung der Koppelungseffizienz die Kopplungsrichtungsabhängigkeit bei Einfallswinkel des VCSEL erhöht und so die Kopplungsrichtung des VCSEL-Geräts flexibler macht. Numerische Simulationsergebnisse zeigen, dass die maximale Koppelungseffizienz für reguläres Gitter, frontseitigen progressiven Gitter- und progressiven Gitterkoppler 54,62 % (-2,63 dB), 60,18 % (-2,21 dB) bzw. 64,55 % (-1,90 dB) beträgt. Dank des optimierten Designs hat die Struktur eine Toleranzspanne des Lichteinfallswinkels von 6° bis 21°, was die Schwierigkeit des experimentellen Prozesses erheblich reduziert. Numerische Berechnungen bestätigen die Zuverlässigkeit der Methode und zeigen das Potenzial, ohne Rückreflektor auf einer Silizium-basierten heterogenen Integrationsstruktur eine Koppelungseffizienz von bis zu 64,55 % (-1,90 dB) und große Einfallswinkel-Toleranz zu erreichen. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass der im Wellenlängenbereich von 1500~1600 nm entworfene Gitterkoppler bei unterschiedlichen Einfallswinkeln der Faser eine hohe Koppelungseffizienz und eine verbesserte Kopplungsrichtungsabhängigkeit aufweist.

siliziumbasierte photonische Integration; Modenanpassung; Einfallswinkel-Toleranz; Koppelungseffizienz; Gitterkoppler