随着信息社会的高速发展和大数据时代的到来,通信速率日益提升,但是电互连在高速数据通信中存在传输延迟大、易受电磁干扰的缺陷。因此,研究者们提出了利用光子作为信息载体来代替电子,期望可以利用具有传输速率更快、抗电磁干扰能力更强的光互连代替电互连,实现高速低功耗海量信息的传输,突破电互连技术存在的瓶颈。硅基光子集成回路具有成本低、集成密度高、可以直接利用成熟的 CMOS(Complementary metal oxide semiconductor)工艺线制备的优点,被认为是一种前景广阔的片上光互连解决方案。经过近几十年的研究,硅基光子集成快速发展,但是硅基片上光源的问题尚未解决。混合集成光源是产业界广泛采用的高性能硅基光源解决方案,但是如何实现外部激光器与集成硅波导的高效光耦合,仍是一大挑战。此外,垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser,VCSEL)具有阈值低、功耗低、尺寸小等优点,适用充当混合集成光源。但是由于VCSEL存在偏振跳变效应,同时标准硅光子波导由于存在强的偏振选择性,从而降低VCSEL与硅波导之间的耦合效率。如果不加以解决,基于此方案的片上光通信/互连系统的误码率将上升,导致通信质量下降。本工作采用硅基光栅耦合器将VCSEL垂直输出光高效地耦合到硅光子平面集成器件中,并实现对VCSEL输出光的偏振态控制,解决混合集成系统中光源与硅光子集成回路之间存在的耦合问题。主要的研究成果和创新点如下:1、深入分析了 VCSEL的偏振控制原理,并研究了 VCSEL偏振控制的理论模型,如四能级VCSEL偏振动力学模型、外腔光反馈偏振控制模型。研究并总结了光栅耦合器的分析和设计方法,如严格耦合波理论分析法、时域有限差分法。2、提出并设计了氮化硅-硅双层垂直光栅耦合器,该光栅耦合器可以实现对VCSEL输出光的偏振态控制,同时实现VCSEL与平面硅波导之间的高效耦合。将该光栅耦合器与VCSEL进行混合集成,集成后的结构作为硅基混合集成光源。仿真表明,在输入波长1550 nm时,该光栅耦合器对TE主模光场的耦合效率达到了-3.6 dB。当VCSEL外腔长度为1 μm且偏置电流小于2.6 mA时,VCSEL的输出光场可稳定在单TE模式。3、研究并设计了基于SOI(Silicon-on-Insulator)的单层垂直光栅耦合器,该光栅耦合器能够控制VCSEL的偏振状态,使其稳定在TE模式,同时维持VCSEL到平面硅波导的高效耦合。将该光栅耦合器与VCSEL进行混合集成,集成后的结构作为硅基混合集成光源。仿真表明,在输入波长1550 nm时,该光栅耦合器对TE主模光场具有-6.5 dB的耦合效率。当VCSEL外腔长度为0.6 μm且偏置电流小于3.9 mA时,VCSEL的输出光场可稳定在单TE模式。4、完成对单层垂直硅基光栅耦合器的版图设计与基于SOI结构的焦距为400 μm亚波长条形光栅汇聚反射镜的研制,与课题组其他博士协作搭建了用于测试条形光栅汇聚反射镜反射率的实验系统,并对实验测试数据进行了计算处理分析。通过积分计算得到亚波长条形光栅汇聚反射镜在焦点处的反射率为80.5%,半高全宽为168 μm,焦点处的最高反射光功率达到414 μw。