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自从2002年人们第一次在半导体芯片上成功制作了光栅耦合器后,光栅耦合器得到了人们广泛的研究,不过这些研究大多工艺复杂、成本较高。一种成熟、廉价、高效、可靠的光栅耦合器是硅基高速光收发模块的不可或缺的组成部分,具有重要的研究意义。本论文研究的主要是一种一步浅刻蚀的光栅耦合器,这种光栅耦合器工艺简单、成本低廉、效率较高,并且还针对前人较少涉及到的方向性效率进行了着重优化改进。本论文的主要工作如下:结合CMOS工艺的流程以及本次工作合作单位的加工能力限制条件,本文利用Lumerical FDTD软件设计了一种刻蚀深度为70nm、周期为630nm、占空比为55%的一步浅刻蚀的硅基光栅耦合器,模拟结果显示其方向性效率约为61%(-2.15dB)。随后本文绘制了几个不同参数的光栅耦合器的版图,并将其送至加工单位。在搭建了测试平台后,我们对这些光栅耦合器进行了测试性能,实验结果表明这些光栅耦合器的最高耦合效率约为35%(-4.65dB),对应的中心波长是1557.4nm,其3dB带宽约为51nm,其1dB带宽约为31nm。实验结果还表表明,选定的几个模斑转换器的结构参数对耦合效率的影响不大。接下来通过进一步的FDTD仿真,本文发现光栅耦合器的方向性效率会受到顶层氧化硅(COX)厚度的影响,其最大、最小方向性效率之差为1.07dB。随后本文通过实验利用ICP-RIE刻蚀机改变COX层的厚度,将其效率提升至了 45%(-3.46dB),这样的耦合效率已经达到了国际先进水平,并且可以应用在大多数的实验和应用场合中。实验结果还表明,在不同的COX厚度下,最大、最小的耦合效率之差为1.71dB,远大于COX厚度对方向性效率的影响。为解释上述现象,我们利用FDTD仿真发现实验中使用的倾斜端面的单模光纤对光栅耦合器的耦合效率有着特别的影响。在不同的COX厚度下,倾斜角为8度、8度倾斜端面的单模光纤的最大、最小的模拟耦合效率之差为2.04dB。而倾斜角为7.5度的、8度倾斜端面的单模光纤的最大、最小的模拟耦合效率之差为1.70dB,这完美的解释了实验现象。COX厚度还会影响其他硅基高速器件的容抗,所以本文对硅基光电集成有着重要意义。