Для преодоления ограничений симметричной структуры однородной решетки и повышения эффективности сопряжения интегрированного на кремнии фотонного источника света в дальнейшем. В данном исследовании предложен дизайн эффективного поэтапного решетчатого сопрягателя на основе кремниевой структуры на изолирующем субстрате, который подходит для соединения вертикально-эмиттирующих лазеров (VCSEL) с кремниевыми фотонными интегральными схемами, снижая требования к углу соединения при фотонно-электрической интеграции VCSEL. Метод заключается в одновременном изменении периода решетки и коэффициента заполнения, а также оптимизации глубины травления решетки для регулировки условий Брегга, улучшая соответствие распределения дифракционного поля и гауссового поля. Кроме того, были оптимально спроектированы структуры однородного решетчатого сопрягателя с фиксированным периодом и коэффициентом заполнения, а также переднего поэтапного решетчатого сопрягателя с фиксированным периодом и меняющимся коэффициентом заполнения. Для подтверждения эффективности был проведен сравнительный анализ конструкции поэтапного решетчатого сопрягателя, который, одновременно повышая эффективность сопряжения, увеличивает направленность сопряжения по углу ввода VCSEL, делая направленность сопряжения устройства VCSEL более гибкой. Результаты численного моделирования показали, что максимальная эффективность сопряжения для однородного решетчатого, переднего поэтапного и поэтапного решетчатых сопрягателей составила соответственно 54.62% (-2.63 дБ), 60.18% (-2.21 дБ) и 64.55% (-1.90 дБ). Благодаря оптимизации дизайна структура имеет допуск по углу падения света от 6° до 21°, что значительно снижает сложность экспериментального процесса. Численные результаты подтвердили надежность метода, а также продемонстрировали потенциал достижения высокой эффективности сопряжения до 64.55% (-1.90 дБ) и большого допуска по углу падения на основе кремниевой гетероинтеграционной структуры без использования заднего отражателя. Экспериментальные данные показали, что решетчатый сопрягатель, спроектированный в диапазоне 1500~1600 нм, обеспечивает высокую эффективность сопряжения при различных углах падения оптоволокна и более высокую направленность сопряжения.

кремниевый фотонный интеграт;совпадение мод;допуск угла падения;эффективность сопряжения;решетчатый сопрягатель