信息时代人们对于通信与互联的需求与日俱增,且随着数据中心与超级计算机的不断发展,对设备的处理速度与传输容量都提出了新的挑战。在传统的电互联技术正在逼近其性能极限的条件下,光电互联成为了续写摩尔定律的新的选择。其中,硅基光电子技术结合了微电子技术与光电子技术,能够充分发挥成熟的微电子加工工艺,同时拥有光通信的高带宽,高速率,低损耗与抗电磁干扰的特性,是面向下一代高速互联应用场景的关键技术。硅基光电子芯片在产业化的道路上一直受到了光源的制约,晶体硅的材料特性决定其难以发光,故实际应用时需对硅光芯片引入外部光源。在此过程中,耦合器件性能的好坏直接决定了片上系统能够承受多大的功率代价,而且耦合方案的成本也影响着整个片上系统的实用性。与此同时,硅基光器件设计方法也在不断发展,这也是当下的热门研究方向。本文的研究工作可归结为两个方向,一部分是研究硅基光电子输入输出器件,另一部分则是针对器件的逆向设计方法进行了优化。其相应的研究内容与创新点如下:1)对普通光栅参数进行扫描研究,针对多通道的输入输出需求提出了利用光纤阵列进行的多通道耦合方案,并绘制版图进行流片与测试工作。2)提出了两种入射光偏振方向无关的耦合方案,旨在实现在硅基耦合方案中去掉光纤偏振控制器件,实现低成本、高密度的耦合方案。两种设计均通过仿真验证,其中全垂直的偏振无关光栅耦合器实现了-4.56±0.15 dB的耦合损耗与平坦度,引入倾角的耦合器能够实现-5.7±0.53 dB的耦合损耗与平坦度,极大的减轻了普通光栅对入射光偏振方向敏感的特性。3)提出双入射通道的椭圆多模干涉仪设计方案,其中主次双通道椭圆多模干涉仪能够实现在1550 nm波长下,主要波导的传输损耗为-0.139 dB,次要波导传输损耗为-1.126 dB。对称耦合器则实现两条通道的传输损耗都在-0.22 dB以下,同时该器件也具有双通道任意比例耦合特性,结合偏振分束光栅,实现了±0.05 dB平坦度的入射光偏振方向无关的耦合方案。4)通过高斯模糊算法优化逆向设计方法,对超小弯曲波导的逆向设计方案进行特征提取,利用新型光栅结构来实现超小弯曲半径的180°弯曲波导。设计了弯曲半径仅有0.6μm的弯曲波导,且其传输谱带宽相比逆向设计方案而言较大提升,在整个C+L波段都能保证80%的传输效率。