近年来,绝缘衬底上的硅(SOI)被业内公认为是一种非常有潜力的,能够实现大规模、高密度光电子集成电路(PICs)的新材料。然而在高度集成的PICs中,纳米光波导与单模光纤之间的巨大模场失配给它们之间的耦合带来了很大的困难。一种行之有效的办法是使用表面光栅耦合器来实现纳米光波导与单模光纤之间的高效耦合。本文主要研究设计、制备并测试了基于亚波长结构的全刻蚀SOI光栅耦合器,具体工作如下:(1)建立了TE、TM模光栅耦合器的二维模型,提出了一套完整的非均匀光栅设计方案,以此来优化光栅的衍射场分布,增大和单模光纤模场分布的重叠积分,从而提高耦合效率。特别的,我们提出了一种简单易行、可编程化的非均匀光栅排布方法,能够精确布置每个光栅单元的泄露因子以合成完美的高斯型衍射场,我们设计的TE模非均匀光栅的衍射场与光纤高斯模场的重叠积分高达98.3%;(2)基于等效介质理论,设计了两种具有不同亚波长结构的光栅耦合器:基于亚波长光栅(SWG)的光栅耦合器和基于光子晶体(Ph C)的光栅耦合器。利用三维FDTD模拟得到的TE模SWG光栅耦合器、TM模SWG光栅耦合器以及TE模Ph C光栅耦合器的峰值耦合效率分别达到27.2%、43.3%和34.7%;(3)按照硅基波导器件的工艺流程制作了TE、TM模SWG光栅耦合器,搭建了波导测试平台对制得的光栅耦合器进行测试。实验测得的TE模SWG光栅耦合效率达到-7.6d B,1d B带宽为45nm,TM模SWG光栅的耦合效率达到-6.1d B,1d B带宽为34nm,然后根据SEM以及测试结果对光栅耦合器的设计提出了优化方案。