随着科学技术的发展,电互连因其自身的局限性,逐渐无法满足现实的需求。光互连在带宽、延迟、串扰方面具有电互连无法比拟的优势,加上光互连强大的抗电磁干扰能力,成为了最有潜力替换电互连的方式,已经得到了广泛的关注与研究。其中,光波导作为实现光互连的连接器件,具有重要的研究意义。实现光波导上光高效无损的耦合转向,是光互连研究的重点之一。光栅耦合器能在光波导上的任何位置制作,意味着其能在波导的任何位置实现信号的上传和下载,这样的优势使得光路设计非常灵活,是目前最受关注的耦合方式之一。为了解决光在光波导中低耗高效的耦合转向问题,本文从光栅耦合器常用的研究理论入手,分析了光栅耦合器的结构参数,获得其与耦合性能指标的关系。光栅耦合器的常用研究方法包括基础电磁场理论、解析法和数值计算方法等。其中基础电磁场理论包括布拉格条件、布洛赫定理、互易性定理以及耦合效率计算公式;解析法包括耦合模理论、微扰法、等效介质膜理论、平面波展开法和严格耦合波理论;数值计算方法包括光束传播法、本征模展开法、有限元法和时域有限差分法(Finite-Difference Time-Domain Method,FDTD)。本论文主要运用了布拉格相位匹配条件、互易性原理、耦合效率计算方法以及FDTD,对这几种方法进行了重点的研究与分析。以此理论基础,设计了两种不同结构的光栅耦合器,分别应用于绝缘体上硅(Silicon-On-Insulator,SOI)光波导和聚硅氧烷光波导上,对其衍射场进行仿真,并进行结构优化,提高其耦合效率,为高效率的光栅耦合器设计提供理论参考。具体工作如下:1.基于FDTD实现了对光栅耦合器衍射场的仿真与衍射功率计算。FDTD是研究电磁学现象最常用的数值计算方法之一,MATLAB具有强大的数据可视化功能,本论文利用MATLAB实现了FDTD算法,对光在光栅耦合器的整个衍射过程进行了仿真,提出了计算各部分衍射光能量的方法,为研究光栅耦合器提供了仿真条件和衍射功率计算方法。2.推导了光栅周期、刻蚀深度、占空比与均匀光栅耦合器衍射角的关系。通常利用布拉格条件能给出光栅周期与衍射角度的关系,但是光栅衍射角度还和刻蚀深度、占空比等有关。结合平板波导本征模方程,推导了光栅周期、刻蚀深度和占空比与均匀光栅耦合器衍射角之间的关系公式,并且利用FDTD算法进行了验证。根据推导的衍射角关系公式,利用光栅的结构参数(光栅周期、刻蚀深度、占空比)可大致估算均匀光栅耦合器的衍射角度,可为高耦合效率的光栅耦合器的设计提供参考。3.设计了一种基于SOI光波导的非均匀光栅耦合器。首先,研究了结构参数(刻蚀深度、光栅周期等)对SOI光波导均匀光栅耦合器耦合效率的影响,基于FDTD算法,采用遍历的思想,遍历了不同的光栅周期(范围:390nm-830nm)和刻蚀深度(10nm-310nm)排列组合而成的光栅结构,编写了程序,得到了不同结构下均匀光栅耦合器的耦合效率。经计算,当光栅周期为630nm,占空比为0.5,刻蚀深度为190nm,均匀光栅耦合器的耦合效率达到最大值,为41%;然后,设计了一种SOI光波导非均匀光栅耦合器结构,具体做法是将两个不同周期的光栅结构刻蚀在同一波导上,利用其光衍射角度的不同,达到聚焦的目的,优化结构参数,提高了耦合效率,经FDTD仿真计算,其耦合效率为62.37%。4.设计了基于聚硅氧烷光波导的光栅耦合器。在聚硅氧烷光波导均匀光栅耦合器的结构基础上,增加了高折射率覆盖层,提高了耦合效率;基于FDTD算法,采用遍历的思想,编写程序,得到了使聚硅氧烷光波导均匀光栅耦合器耦合效率最大的光栅结构(周期为2.6μm,刻蚀深度为5μm),此结构下,经仿真计算得到其耦合效率为17.2%;在此基础上,设计了两层刻蚀的光栅耦合器结构,并对此结构参数进行优化,提高了耦合效率,经仿真计算为37.4%。