硅光子集成回路依托于CMOS工艺平台,在设计方法、仿真工具和工艺流程等方面很大程度上可以借鉴和参考微电子集成电路,因此近年来硅光子集成回路得到了迅速的发展。然而,硅光集成芯片在器件性能、版图特点和制作工艺等方面与微电子集成电路依然存在差异,技术尚不成熟,其大规模制造存在一定瓶颈。光栅耦合器作为硅光子集成回路与光纤、激光器等芯片之间光耦合的接口,是硅光子集成回路中重要的无源光学元件之一。本文将以光栅耦合器作为主要研究对象,提出了性能优化设计方案。另外,针对硅光晶圆大规模生产中的工艺误差分析难题,提出了基于光栅耦合器的晶圆级自动化特性测试和分析方法。主要工作如下:提出应用于光栅耦合器结构自动设计优化的免疫粒子群自动设计优化算法,可实现,在光栅耦合器的设计优化过程中,该算法较普遍应用的粒子群自动设计优化算法优化结果更优,同时可优化仿真效率低、设计周期长等问题。设计工作中心波长分别为1550nm和850nm的双层光栅耦合器,该光栅耦合器无需特殊制造工艺,满足大规模生产工艺所有条件,仿真结果显示,其峰值耦合效率分别为64.8%和78%,性能优良。其中设计的中心波长为850nm的光栅耦合器的耦合效率仿真结果明显高于目前为止报道过的光栅耦合器耦合效率。测试结果显示工作中心波长为1550nm双层光栅耦合器性能明显优于普通均匀光栅耦合器。针对硅基光波导器件的结构工艺误差问题,利用硅基光栅耦合器实现了晶圆级自动化测试,评估了采用90nm CMOS工艺制备的300mm晶圆上脊型光波导的尺寸一致性,同时对提取方法进行误差分析。结果表明,脊型波导宽度工艺误差和高度工艺误差的平均值分别为-11nm和6nm;脊型波导的较大尺寸误差主要分布在晶圆的边缘位置;本文所述脊型光波导尺寸偏差提取方法误差在亚纳米量级,提取结果可靠。