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1550 nm VCSEL硅基光电集成变迹光栅耦合器设计及入射角方向性优化研究
1
作者
孙松伟
石琳琳
+4 位作者
马超
邹永刚
范杰
付曦瑶
王玉坤
《发光学报》
北大核心
2025年第4期730-741,共12页
为了打破均匀光栅对称结构的限制,进一步提高硅基光电集成片上光源的耦合效率。本研究提出基于绝缘衬底上硅结构的高效递进式光栅耦合器的设计,适用于垂直腔面发射激光器(VCSEL)键合到硅光子集成电路,降低了VCSEL光电集成对键合角度的...
为了打破均匀光栅对称结构的限制,进一步提高硅基光电集成片上光源的耦合效率。本研究提出基于绝缘衬底上硅结构的高效递进式光栅耦合器的设计,适用于垂直腔面发射激光器(VCSEL)键合到硅光子集成电路,降低了VCSEL光电集成对键合角度的工艺难度要求。该方法通过同时改变光栅的周期和占空比,并优化光栅的刻蚀深度,实现了对布拉格条件的调整,使衍射场分布与高斯场分布更为匹配。此外,还优化设计周期与占空比为定值的均匀光栅耦合器和周期固定、占空比改变的前端渐进式光栅耦合器两种结构。作为对比验证了递进式光栅耦合器设计的有效性,在提升耦合效率的同时,增加了VCSEL入射角倾角的耦合方向性,使VCSEL器件耦合方向更为灵活。数值仿真结果显示,设计的均匀光栅、前端渐进式光栅、递进式光栅的最高耦合效率分别达到54.62%(−2.63 dB)、60.18%(-2.21 dB)、64.55%(-1.90 dB)。得益于设计的优化,该结构对光源入射倾角具有6°~21°的容差范围,大幅降低了实验工艺的难度。通过数值计算结果证明了该方法的可靠性,同时也展现了在不使用背反射镜的情况下,基于硅基异质集成结构能实现高达64.55%(-1.90 dB)耦合效率和大入射角度容差的潜力。实验结果表明,在1500~1600 nm波段范围内设计的光栅耦合器在光纤不同入射角度测试中,对不同的入射角均具有较高的耦合效率,具有更好的耦合方向性。
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关键词
硅基光电集成
模式匹配
入射容差
耦合效率
光栅耦合器
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职称材料
题名
1550 nm VCSEL硅基光电集成变迹光栅耦合器设计及入射角方向性优化研究
1
作者
孙松伟
石琳琳
马超
邹永刚
范杰
付曦瑶
王玉坤
机构
长春
理工大学高功率半导体激光国家
重点
实验室
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所光学系统先进制造全国重点实验室
出处
《发光学报》
北大核心
2025年第4期730-741,共12页
基金
吉林省科技厅自然科学基金面上项目(20240101350JC)
吉林省人社厅留学人员科技创新创业择优资助项目
国家自然科学基金青年基金(62404023)。
文摘
为了打破均匀光栅对称结构的限制,进一步提高硅基光电集成片上光源的耦合效率。本研究提出基于绝缘衬底上硅结构的高效递进式光栅耦合器的设计,适用于垂直腔面发射激光器(VCSEL)键合到硅光子集成电路,降低了VCSEL光电集成对键合角度的工艺难度要求。该方法通过同时改变光栅的周期和占空比,并优化光栅的刻蚀深度,实现了对布拉格条件的调整,使衍射场分布与高斯场分布更为匹配。此外,还优化设计周期与占空比为定值的均匀光栅耦合器和周期固定、占空比改变的前端渐进式光栅耦合器两种结构。作为对比验证了递进式光栅耦合器设计的有效性,在提升耦合效率的同时,增加了VCSEL入射角倾角的耦合方向性,使VCSEL器件耦合方向更为灵活。数值仿真结果显示,设计的均匀光栅、前端渐进式光栅、递进式光栅的最高耦合效率分别达到54.62%(−2.63 dB)、60.18%(-2.21 dB)、64.55%(-1.90 dB)。得益于设计的优化,该结构对光源入射倾角具有6°~21°的容差范围,大幅降低了实验工艺的难度。通过数值计算结果证明了该方法的可靠性,同时也展现了在不使用背反射镜的情况下,基于硅基异质集成结构能实现高达64.55%(-1.90 dB)耦合效率和大入射角度容差的潜力。实验结果表明,在1500~1600 nm波段范围内设计的光栅耦合器在光纤不同入射角度测试中,对不同的入射角均具有较高的耦合效率,具有更好的耦合方向性。
关键词
硅基光电集成
模式匹配
入射容差
耦合效率
光栅耦合器
Keywords
silicon photonic integrated
mode matching
incident angle tolerance
coupling efficiency
grating coupler
分类号
TN256 [电子电信—物理电子学]
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题名
作者
出处
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1
1550 nm VCSEL硅基光电集成变迹光栅耦合器设计及入射角方向性优化研究
孙松伟
石琳琳
马超
邹永刚
范杰
付曦瑶
王玉坤
《发光学报》
北大核心
2025
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