Для преодоления ограничений симметричной структуры равномерной решётки и дальнейшего повышения эффективности сопряжения интегрированного на кремнии оптоэлектронного источника света в данном исследовании предложено проектирование эффективного ступенчатого решёточного сопрягателя на кремниевой структуре на изолирующей подложке. Он предназначен для связки вертикально-излучающих лазеров (VCSEL) с кремниевыми фотонными интегральными схемами, снижая технологические требования к углу сопряжения VCSEL. Метод достигает настройки условий Брегга путём одновременного изменения периода решётки и коэффициента заполнения, а также оптимизации глубины травления решётки, что делает распределение дифракционного поля более соответствующим гауссовому полю. Кроме того, оптимизировано проектирование двух структур: равномерного решёточного сопрягателя с фиксированным периодом и коэффициентом заполнения, а также переднего прогрессивного решётчатого сопрягателя с фиксированным периодом и изменяющимся коэффициентом заполнения. В качестве проверки была подтверждена эффективность дизайна ступенчатого решётчатого сопрягателя, который помимо увеличения эффективности сопряжения, улучшает направленность угла падения VCSEL, делая направление сопряжения более гибким. Результаты численного моделирования показывают, что максимальная эффективность сопряжения для равномерного, переднего прогрессивного и ступенчатого решётчатого сопрягателей составляет соответственно 54,62% (-2,63 дБ), 60,18% (-2,21 дБ) и 64,55% (-1,90 дБ). Благодаря оптимизации дизайна конструкция допускает диапазон допусков угла падения источника света от 6° до 21°, значительно снижая сложность экспериментального процесса. Численные результаты подтверждают надёжность метода и демонстрируют потенциал достижения высокой эффективности сопряжения до 64,55% (-1,90 дБ) и большого допуска угла падения без использования заднего отражателя на основе кремниевой гетероинтеграционной структуры. Экспериментальные результаты показывают, что решётчатый сопрягатель, спроектированный в диапазоне длин волн 1500–1600 нм, демонстрирует высокую эффективность сопряжения при различных углах падения оптического волокна, обладая улучшенной направленностью сопряжения.

кремниевая оптоэлектронная интеграция;согласование мод;допуск угла падения;эффективность сопряжения;решётчатый сопрягатель