要想实现集成光电芯片的大规模使用,需要解决芯片上不同器件间的高效光互连问题,而波导垂直耦合结构是实现不同层的器件之间光互连的重要方法之一。层间耦合结构的设计需要遵循三个基本原则——减小器件尺寸、提高耦合效率以及增大制作容差。由于这三者之间相互制约,因此实现紧凑、高效且通用的层间耦合结构是一个重点和难点问题。本文主要对锗硅光电芯片上的层间耦合结构进行了理论分析、结构设计、数值仿真以及实验测试,为达到紧凑、高效、偏振无关这三个目标进行了研究与创新。本文的主要工作如下:(1)针对Ge-SOI耦合结构,提出了前段锥角小后段锥角大的两段锥形波导的优化方案。FDTD算法仿真发现前段锥形的中心宽度等于谐振宽度260 nm、宽度范围大于200 nm时,可以达到90%以上的耦合效率。(2)提出了Ge-SOI耦合结构的一种简单的制备方法,即先刻蚀出下层的无源硅波导后溅射出上层的有源锗波导。该方法不需要刻蚀锗波导从而降低了工艺上的制作难度。(3)制作了几种不同锥形形状的Ge-SOI耦合结构并对其进行测试。实验结果显示其耦合损耗低于3 d B,材料吸收损耗和侧壁散射损耗是导致总体光功率损耗较大的主要原因。(4)针对适用于Si Ge集成芯片的耦合结构,提出了紧凑、高效以及偏振无关的锥形耦合结构的三段优化方案。该耦合结构的长度仅为45μm,能使TE和TM偏振光的耦合效率达到90%以上。其宽度容差±200 nm、各层厚度容差±100 nm,工作波长范围1460~1625 nm,可以在3 V的偏压下正常工作。具有制作容差大、波长范围广以及性能稳定等优点。