Para superar as limitações da estrutura simétrica de grade uniforme e melhorar ainda mais a eficiência de acoplamento da fonte optoeletrônica integrada em silício no chip, este estudo propõe o projeto de um acoplador de grade progressivo eficiente baseado em estrutura de silício sobre substrato isolante. Adequado para o acoplamento de lasers de cavidade vertical emissores superficiais (VCSEL) aos circuitos integrados fotônicos de silício, reduz os requisitos de processo relacionados ao ângulo de acoplamento do VCSEL. O método ajusta simultaneamente o período e a razão cíclica da grade, otimizando a profundidade de gravação, alcançando o ajuste das condições de Bragg para que a distribuição do campo de difração corresponda melhor ao campo gaussiano. Além disso, são otimizados dois tipos de estruturas: um acoplador de grade uniforme com período e razão cíclica fixos, e um acoplador de grade progressivo frontal com período fixo e razão cíclica variável. Como comparação, a eficácia do design progressivo do acoplador de grade foi verificada, que, além de melhorar a eficiência de acoplamento, aumenta a direcionalidade do ângulo de incidência do VCSEL, tornando a direção de acoplamento do dispositivo mais flexível. Os resultados de simulação numérica mostram que a eficiência máxima de acoplamento das grades uniforme, progressiva frontal e progressiva atinge 54,62% (-2,63 dB), 60,18% (-2,21 dB) e 64,55% (-1,90 dB), respectivamente. Graças à otimização do design, a estrutura possui uma faixa de tolerância do ângulo de incidência da fonte de luz de 6° a 21°, reduzindo significativamente a dificuldade do processo experimental. Os resultados numéricos comprovam a confiabilidade do método e também demonstram o potencial de alcançar alta eficiência de acoplamento de até 64,55% (-1,90 dB) e grande tolerância ao ângulo de incidência em uma estrutura de integração heterogênea baseada em silício, sem usar espelho refletor traseiro. Os resultados experimentais indicam que o acoplador de grade projetado na faixa de comprimento de onda de 1500~1600 nm apresenta alta eficiência de acoplamento para diferentes ângulos de incidência da fibra, com melhor direcionalidade de acoplamento.

integração optoeletrônica em silício;casamento de modos;tolerância de incidência;eficiência de acoplamento;acoplador de grade