Um die Beschränkungen der symmetrischen Struktur von homogenen Gittern zu überwinden und die Kopplungseffizienz von auf Silizium basierenden optoelektronischen integrierten Lichtquellen weiter zu verbessern. Diese Studie schlägt das Design eines hocheffizienten progressiven Gitterkopplers auf der Basis einer Siliziumstruktur auf einem isolierenden Substrat vor, das sich für die Verbindung von Vertikalemittern (VCSEL) an Silizium-Photonik-ICs eignet und die Prozessanforderungen an den Kopplungswinkel bei der optoelektronischen Integration von VCSEL reduziert. Die Methode verändert gleichzeitig die Gitterperiode und das Tastverhältnis und optimiert die Ätztiefe des Gitters, um die Bragg-Bedingung anzupassen und eine bessere Übereinstimmung der Beugungsfeldverteilung mit der Gaußfeldverteilung zu erreichen. Darüber hinaus wurden zwei Strukturen optimiert: ein homogener Gitterkoppler mit festen Perioden- und Tastverhältnissen und ein frontaler progressiver Gitterkoppler mit fester Periode und variablem Tastverhältnis. Zum Vergleich wurde die Wirksamkeit des progressiven Gitterkopplers bestätigt, der gleichzeitig die Kopplungseffizienz verbessert und die Kopplungsdirektionalität des Einfallswinkels von VCSEL erhöht, wodurch die Kopplungsrichtung des VCSEL-Geräts flexibler wird. Numerische Simulationsergebnisse zeigen, dass die maximale Kopplungseffizienz der homogenen Gitter-, frontalen progressiven und progressiven Gitterkoppler jeweils 54,62 % (-2,63 dB), 60,18 % (-2,21 dB) bzw. 64,55 % (-1,90 dB) beträgt. Dank der Designoptimierung weist die Struktur eine Toleranz für den Lichteinfallswinkel von 6° bis 21° auf, was die Experimentierprozesskomplexität erheblich reduziert. Numerische Berechnungsergebnisse bestätigen die Zuverlässigkeit der Methode und zeigen das Potenzial, eine Kopplungseffizienz von bis zu 64,55 % (-1,90 dB) und eine große Einfallwinkelstoleranz basierend auf einer Silizium-hetero-integrationsstruktur ohne Rückspiegel zu erreichen. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass der im Wellenlängenbereich 1500~1600 nm entworfene Gitterkoppler bei unterschiedlichen optischen Faser-Einfallswinkeln eine hohe Kopplungseffizienz und eine bessere Kopplungsdirektionalität aufweist.

Silizium-optoelektronische Integration;Modenabstimmung;Einfallswinkel-Toleranz;Kopplungseffizienz;Gitterkoppler