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硅基光子器件具有优异的光、电特性，并且能够完全和传统的微电子工艺相兼容，近年来受到越来越多的关注。随着光子集成电路中微电子芯片特征尺寸的不断减小和集成度不断提高，集成电路中的耦合问题日益成为制约其进一步发展的障碍，耦合器的研究也随之逐渐发展了起来。众所周知，为了满足单模条件，硅基波导的尺寸为1微米或者更小，然而传统光纤模斑尺寸约为9微米，所以在集成光电子学领域，两者之间的耦合问题是一个长期的挑战，这一切归因于光纤和波导的模式失配和有效折射率失配带来的辐射模和背反射。鉴于此，许多研究人员已经提出了一些耦合方法，如正向楔形、反向楔形、棱镜耦合、光栅耦合等。
反向楔形模斑变换器，其概念一提出就受到学术界和产业界的极大关注，并有望成为世界上耦合效率最高的硅基光波导耦合器。这种耦合器的原理就是把跟光纤连接的输入端拉锥到几十纳米，尺寸扩大，模场有效折射率降低；光纤中的模场随之进入放大的低折射率模场之中，达到尺寸和折射率的匹配。本论文采用自行研发的电子束曝光(EBL)和电感耦合等离子体(ICP)刻蚀工艺，研究和制备了基于绝缘体上硅(SOI)的光波导耦合器。
利用FIMMWAVE和FIMMPROP，我们分析了slot波导的模式特性。考察slot波导的单模条件中，运用侧边损耗法详尽的计算了波导高度、狭缝宽度和波导宽度等重要参数，并运用有效折射率法验证了单模条件的正确性。我们还对于准TE模详细计算了狭缝处模场限制性能和平均光强，根据计算，其狭缝区限制光场能量最大值能达到42％，归一化平均光强的最大值能达到26μm-2。
基于以上slot波导的模拟分析，我们引入了一种基于slot光波导耦合器。利用FIMMWAVE和FIMMPROP，我们首先分析了不同折射率材料和结构尺寸对于耦合性质的影响。正确选择了材料和尺寸，就能使slot波导的模场有效折射率和光纤中的有效折射率匹配。准TE模的模式失配损耗理论计算最低值为1.8dB，这种耦合器将在光通讯有着广阔的应用前景。
利用PMMA胶，我们制作了SOI反向楔形耦合器。PMMA胶经常作为正胶使用，而它在高剂量照射下则为负胶，适合制作小于100nm的各种小尺寸图形。而且利用负性PMMA胶制备的波导侧壁比较光滑，而且成品率高。利用这种负胶方法制作的反向楔形模斑变换器结构的耦合器，跟正胶对比，并且在相同的尺寸下，能把单端的耦合损耗减少2.5dB。
与传统的简单沉积一层二氧化硅包层不同，我们设计了一种双包层SOI反向楔形耦合器。利用PECVD，在刻蚀后的反向楔形上淀积两层折射率相差0.8％的二氧化硅，起到了更强的限制作用。而且这是设计能够把输入端面的模场的有效折射率降低到1.47，非常接近光纤中的有效折射率，降低了背反射。本器件基本实现了预想的功能，单端耦合损耗理论计算值为1.23dB，耦合效率测量值为66％。
本文在SOI光波导反向楔形耦合器的模拟及其加工技术方面的工作将对耦合器的实用化起到极大的推动作用，对于其它光波导耦合器件与芯片的研究也具有重要的参考价值。