随着通信技术的发展,信息量的增加,传统的电学芯片由于内在的电容、电感、电阻等瓶颈,已经在信息领域逐渐失去优势,不能满足当前的需求,光学芯片便顺势而生。光子作为信息的载体,具有更快的传输速率,能够实现高速通信,在光通信领域,光子芯片已经取得巨大成就。而滤波器作为光子芯片中的关键结构,具有重要的研究意义。同时随着光子芯片集成密度的增加,平面光子集成也面临着串扰、散热等问题,因此人们也开始对三维集成芯片进行研究开发。本文基于这些背景,研究一种新型光栅辅助反向耦合器,以克服传统滤波器存在的带宽问题,并初步讨论三维光子集成中的光互连耦合技术,为三维芯片的集成打下基础。主要工作如下:(1)研究了硅基光子学和三维集成的重大意义,介绍光栅辅助反向耦合器作为滤波器的优势所在以及三维集成芯片中耦合技术的发展,并详细讨论耦合模理论,为后面研究两种不同的耦合器奠定理论基础。(2)分析反向耦合器的原理与传输模型,理论上推导出其带宽特性,并简要讨论了亚波长光栅波导(SWG)的传输特性。(3)为了解决反向耦合器的窄带和尺寸较大问题,首先设计出透过率超过99%的亚波长光栅波导,并基于这种波导设计新型宽带、紧凑型光栅辅助反向耦合器,从有效折射率、色散、耦合系数三方面分析实现宽带和减小尺寸的原因,采用精确的数值仿真算法计算该结构,得到带宽达到29 nm,消光比为30 d B,耦合尺寸仅有50μm。(4)设计一种倒锥垂直耦合器来解决三维芯片集成的光互连问题,通过优化倒锥参数,实现耦合效率达到97%,串扰低于-40 d B。分析工艺误差对器件性能可能带来的影响,并详细讨论制备三维器件所需的工艺流程,指出其中要注意的关键点。在此基础上,实验制作了硅(Si)—氮化硅(Si Nx)倒锥垂直耦合器,测试得到耦合效率超过60%,带宽大于50 nm,串扰约为-30 d B,验证了倒锥耦合方案的可行性。同时针对实验过程中出现的问题提出了两种解决方案,为后续实验制备高性能垂直耦合器提供思路。