本文是关于“可调散射范围光栅耦合器的设计与分析”的研究报告，主要提出了针对大发散角光源与光子芯片高效耦合问题的解决方案。以下是核心内容总结：

研究背景与挑战：

光子集成电路（PIC）面临的挑战：面外光源（如VCSEL、DFB激光器）与光芯片的高效耦合是制约PIC性能的关键问题。

传统光栅耦合器的问题：面对大发散角光源时，动量空间模场不匹配导致耦合效率低。

研究目的与意义：

提出可调散射范围光栅耦合器设计方法，旨在通过调整光栅单元散射角，优化光源与光栅耦合器间的模场匹配，提高耦合效率。

降低对入射光角度的敏感性，放宽封装过程中的角度对准容差。

设计方法：

基本结构：基于标准SNOI参数设计，包括二氧化硅埋氧层、波导层和包层介质，光栅结构包含切趾区域和均匀区域。

设计步骤：

配置输入参数：选定目标波长、光源发散角、初始聚焦点坐标等。

生成光栅耦合器：基于相位匹配条件和空间几何关系，计算各光栅单元周期和散射角。

获取几何散射范围：通过几何关系获得几何散射范围与聚焦高度的关系。

优化光栅单元散射角：避免光能量因局部群速度为零导致散射效率降低。

匹配目标散射范围：通过FDTD仿真优化聚焦高度，实现精准调控。

仿真结果与分析：

散射范围调控：通过调整聚焦高度，实现了散射范围从19°到35°的调控，上辐射效率从59%提升至69%。

面外光源片上耦合：与850 nm波长VCSEL耦合，获得63%（-2.01 dB）的耦合效率，相较于传统光栅耦合器显著降低损耗。

工艺容差分析：入射角在±6°范围内变化时，系统表现出优异稳定性，绝对耦合效率最大波动仅9%（0.69 dB）。

优势与应用：

优势：提高耦合效率，降低对入射光角度的敏感性，放宽封装过程中的角度对准容差。

应用：适用于不同发散角的光源和各类光子集成平台，可应用于AR/VR光波导中降低光损耗和提高显示质量。

结论与展望：

结论：提出的可调散射范围光栅耦合器设计方法有效提高了耦合器与光源的模场匹配度，展现出较高的工艺容差能力。

展望：未来工作可进一步优化设计，提高耦合效率，并探索在其他光子集成平台上的应用。