近年来,硅基光互连乃至光计算成为世界科技研究热点,尤其是基于绝缘体上硅(SOI)晶片的各种有源、无源光电子器件的研究更是方兴未艾。目前,已有大量无源光子器件如光波导、调制器、滤波器、波分复用器等在SOI结构上实现。然而,基于硅基的片上光源研制仍困难重重,片外光源成为目前的主要选择。外部光源与SOI光波导器件的高效耦合成为急需解决的关键问题。垂直光栅耦合器具有耦合效率高、耦合对准允差性好等突出优点。本文在武汉光电国家实验室(筹)创新基金的资助下,主要研究了硅基二元闪耀光栅垂直耦合器的设计及制备,主要工作如下:(1)基于严格耦合波分析(rigorous coupled-wave analysis, RCWA),对传统的均匀光栅耦合器模型进行改进,推导了二元闪耀光栅耦合器的耦合效率,得到了二元闪耀光栅衍射效率随器件结构各参数变化的关系曲线。(2)建立了基于SOI结构的二元闪耀光栅耦合器的理论设计模型,该耦合器与常规的均匀光栅耦合器相比,实现了在接近垂直耦合的情况下,获得了高的耦合效率及较大的带宽,在浅刻蚀的情况下,耦合效率可以达到60%,而不用在衬底制作任何辅助反射镜结构,制作工艺更简便。(3)在一维二元闪耀光栅设计基础上,我们提出了二维闪耀光栅耦合器的理论设计模型,工艺上可以通过一次性刻蚀同时制作出光栅耦合器和波导结构,无需套刻。其耦合效率和1 dB带宽分别达到60.2%和100 nm。(4)对硅基二元闪耀光栅垂直耦合器制作工艺进行了探索,初步制作了器件样品。