균일 격자의 대칭 구조 제한을 극복하고 실리콘 기반 광전자 집적 칩온칩 광원의 결합 효율을 더욱 향상시키기 위해 본 연구에서는 절연 기판 위 실리콘 구조 기반의 고효율 단계적 격자 결합기 설계를 제안하였다. 이 설계는 수직 공동 면 방출 레이저(VCSEL)를 실리콘 광자 집적회로에 접합하는 데 적합하며, VCSEL 광전 집적의 접합 각도에 대한 공정 난이도 요구 사항을 낮춘다. 이 방법은 격자의 주기와 점유율을 동시에 변화시키고 격자 에칭 깊이를 최적화하여 브래그 조건을 조정함으로써 회절장 분포가 가우시안장 분포와 더욱 잘 일치하도록 한다. 또한 주기와 점유율이 고정된 균일 격자 결합기와 주기는 고정되고 점유율이 변화하는 전면 단계적 격자 결합기 두 가지 구조를 최적화 설계하였다. 비교를 위해 단계적 격자 결합기 설계의 유효성을 검증하였으며, 결합 효율 개선과 함께 VCSEL 입사각 경사각의 결합 방향성을 증가시켜 VCSEL 소자의 결합 방향을 더욱 유연하게 만들었다. 수치 시뮬레이션 결과 균일 격자, 전면 단계적 격자, 단계적 격자의 최대 결합 효율은 각각 54.62%(-2.63 dB), 60.18%(-2.21 dB), 64.55%(-1.90 dB)에 도달하였다. 설계 최적화 덕분에 이 구조는 광원 입사 기울기 각도에 대해 6°~21° 범위의 허용 오차를 가지며 실험 공정의 난이도를 크게 낮추었다. 수치 계산 결과는 이 방법의 신뢰성을 증명하였으며, 백 반사경을 사용하지 않고 실리콘 기반 이종 집적 구조에서 최대 64.55%(-1.90 dB)의 결합 효율과 큰 입사 각도 허용 오차를 실현할 수 있는 잠재력을 보여주었다. 실험 결과는 1500~1600 nm 파장 대역 내에서 설계된 격자 결합기가 광섬유의 다양한 입사각 테스트에서 높은 결합 효율과 우수한 결합 방향성을 가짐을 나타냈다.

실리콘 기반 광전자 집적;모드 매칭;입사 허용 오차;결합 효율;격자 결합기