Um die Einschränkungen der symmetrischen Struktur gleichmäßiger Gitter zu überwinden und die Kopplungseffizienz der auf Silizium basierenden optoelektronischen In-Chip-Lichtquelle weiter zu verbessern, wird in dieser Studie ein effizienter abgestufter Gitterkoppler basierend auf einer Siliziumstruktur auf einem isolierenden Substrat vorgeschlagen. Er ist geeignet für die Verbindung von vertikal emittierenden Oberflächenlaser (VCSEL) mit Silizium-photonischen integrierten Schaltkreisen und reduziert die Prozessanforderungen an den Kopplungswinkel bei der VCSEL-Integration. Die Methode ändert gleichzeitig die Gitterperiode und das Füllverhältnis und optimiert die Ätztiefe, um die Bragg-Bedingungen anzupassen und die Beugungsfeldverteilung besser an das Gaußsche Feld anzupassen. Zusätzlich wurden zwei Strukturen optimiert: ein einheitlicher Gitterkoppler mit festen Periode- und Füllverhältnissen sowie ein frontaler abgestufter Gitterkoppler mit fester Periode und variablem Füllverhältnis. Zum Vergleich wurde die Wirksamkeit des abgestuften Gitterkopplers bestätigt, der neben der Effizienzsteigerung der Kopplung auch die Kopplungsrichtung des VCSEL-Einfallswinkels erhöht und die Kopplungsrichtung des VCSEL-Geräts flexibler macht. Numerische Simulationsergebnisse zeigen, dass die maximale Kopplungseffizienz von einheitlichem Gitter, frontalem abgestuftem Gitter und abgestuftem Gitter jeweils 54,62 % (-2,63 dB), 60,18 % (-2,21 dB) bzw. 64,55 % (-1,90 dB) beträgt. Dank der Designoptimierung bietet die Struktur eine Toleranz des Lichteinfallswinkels von 6° bis 21° und reduziert erheblich die Schwierigkeit des experimentellen Prozesses. Numerische Ergebnisse bestätigen die Zuverlässigkeit der Methode und zeigen das Potenzial, in einer auf Silizium basierenden heterogenen Integrationsstruktur ohne hinteren Reflektor eine Kopplungseffizienz von bis zu 64,55 % (-1,90 dB) und eine große Einfallswinkeltoleranz zu erreichen. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass der im Wellenlängenbereich 1500~1600 nm entworfene Gitterkoppler bei unterschiedlichen Einfallswinkeln der Faser eine hohe Kopplungseffizienz und eine bessere Kopplungsrichtung aufweist.

optoelektronische Siliziumintegration;Modenanpassung;Einfallswinkeltoleranz;Kopplungseffizienz;Gitterkoppler