Для преодоления ограничений симметричной структуры равномерной решетки и дальнейшего повышения эффективности сопряжения кремниевого фотонного интегрированного источника на чипе, в данном исследовании предложен дизайн эффективного прогрессивного решетчатого сопрягателя на основе кремниевой структуры на изолирующем подложке. Он предназначен для вертикально-излучающих лазеров (VCSEL), связанных с кремниевыми фотонными интегральными схемами, что снижает требования к углу сопряжения в процессах интеграции VCSEL. Метод изменяет одновременно период и коэффициент заполнения решетки, оптимизируя глубину травления для настройки условий Брагга, что позволяет распределению дифракционного поля лучше совпадать с гауссовым. Кроме того, оптимизированы два типа структур: равномерный решетчатый сопрягатель с фиксированным периодом и коэффициентом заполнения, а также фронтальный прогрессивный решетчатый сопрягатель с постоянным периодом и изменяющимся коэффициентом заполнения. Для сравнения подтверждена эффективность прогрессивного решетчатого сопрягателя, который при повышении эффективности сопряжения увеличивает направленность угла падения VCSEL, делая направление сопряжения устройства более гибким. Результаты численного моделирования показали, что максимальная эффективность сопряжения для равномерной решетки, фронтального прогрессивного и прогрессивного решетчатого сопрягателей составляет 54.62% (-2.63 дБ), 60.18% (-2.21 дБ) и 64.55% (-1.90 дБ) соответственно. Благодаря оптимизации конструкции, структура обеспечивает допуск угла падения источника света от 6° до 21°, значительно снижая сложность экспериментального процесса. Численные результаты подтверждают надежность метода и демонстрируют потенциал достижения высокой эффективности сопряжения до 64.55% (-1.90 дБ) и большого допуска угла падения на основе кремниевой гетероинтеграции без использования заднего отражателя. Экспериментальные результаты показывают, что решетчатый сопрягатель, спроектированный в диапазоне 1500~1600 нм, обладает высокой эффективностью сопряжения при различных углах падения волокна, обеспечивая лучшую направленность сопряжения.

кремниевый фотонно-электронный интегратор;согласование мод;допуск угла падения;эффективность сопряжения;решетчатый сопрягатель