균일 격자의 대칭 구조 제한을 극복하고 실리콘 기반 광전자 집적 칩 위 광원의 결합 효율을 더욱 향상시키기 위해 본 연구에서는 절연 기판 위 실리콘 구조를 기반으로 한 고효율 점진형 격자 결합기 설계를 제안하였다. 이는 수직 공동 면 발광 레이저(VCSEL)를 실리콘 광전자 집적 회로에 본딩하는 데 적합하며, VCSEL 광전자 집적의 본딩 각도에 대한 공정 난이도를 낮춘다. 이 방법은 격자의 주기와 듀티 사이클을 동시에 변경하고 격자 에칭 깊이를 최적화하여 브래그 조건을 조정함으로써 회절장 분포가 가우스장 분포와 더 잘 일치하도록 한다. 또한, 고정된 주기와 듀티 사이클을 가진 균일 격자 결합기와 주기가 고정되고 듀티 사이클이 변화하는 전단 점진형 격자 결합기 두 가지 구조도 최적화하였다. 비교 검증을 통해 점진형 격자 결합기 설계의 유효성이 확인되었으며, 결합 효율을 향상시키는 동시에 VCSEL 입사각 기울기에 대한 결합 방향성이 증가하여 VCSEL 장치의 결합 방향이 더욱 유연해졌다. 수치 시뮬레이션 결과 설계된 균일 격자, 전단 점진형 격자 및 점진형 격자의 최고 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 기울기에 대해 6°~21°의 허용 오차 범위를 가지며, 실험 공정 난이도를 크게 낮췄다. 수치 계산 결과는 이 방법의 신뢰성을 증명하였으며, 뒷면 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 다양한 광섬유 입사 각도 테스트에서 높은 결합 효율과 더 나은 결합 방향성을 보여주었음을 나타낸다.

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