针对传统光栅耦合器在耦合过程中需要入射光倾斜一定角度且耦合效率低的缺点，提出了一种双层Si₃N₄减反射垂直光栅耦合器结构。基于时域有限差分法，对双层Si₃N₄薄膜结构的上、下层Si₃N₄厚度，下层Si₃N₄与光栅的距离及上、下层Si₃N₄之间的高度进行了详细讨论。分析结果表明，对于双层Si₃N₄减反射垂直光栅耦合器结构，横电波（TE）模式下在1550 nm波长处可以获得超过94%（-0.26 dB）的垂直耦合效率，3 dB带宽为107 nm（1485~1592 nm），具有良好的低损耗特性和带宽特性。同时，在现有加工工艺基础上，对该器件进行了容差分析。分析得知，当光纤光栅对准容差在-1.92~1.92 μm范围内、对准角度容差在-1.8°~1.8°范围内时，双层Si₃N₄减反射垂直光栅耦合器可以获得超过80%的耦合效率。

针对二维光栅耦合器存在耦合效率低、偏振相关损耗大、结构复杂等问题，提出了一种应用于C波段的基于绝缘体上硅(SOI)材料的新型二维光栅耦合器，该耦合器由具有45°倾角的四孔交错菱形刻蚀晶胞单位周期排列组成，采用倾斜耦合方式对耦合器的周期、刻蚀深度、刻蚀圆孔的相对位置、刻蚀圆孔半径进行优化，并对其进行仿真验证。仿真结果表明：该耦合器在1 540 nm处耦合损耗低至-2.4 dB，C波段的偏振相关损耗低于0.2 dB, 1、3 dB工作带宽分别是36、58 nm。

为设计出高效率且低偏振耦合相关损耗的二维光栅耦合器(2D-GC)，提出一种基于绝缘体上硅(SOI)的类梅花型2D-GC。该2D-GC由多个单元周期排列而成，每个单元的图案呈类梅花型，该结构中的晶胞由2对圆形图案构成，并采用时域有限差分(FDTD)法对2D-GC结构参数进行数值仿真优化。仿真结果表明：在最佳优化参数结构时，所提2D-GC的有效工作波段为1.525~1.6μm，最佳耦合效率为56%，对应的耦合损耗为-2.4 dB，偏振相关损耗为0.18 dB。

在785 nm激励的拉曼片上传感器结构中，氮化硅片上光栅耦合器的性能直接关系到激励光的耦合效果。首先建立了光栅耦合器的二维、三维结构模型，采用时域有限差分（FDTD）仿真软件对光栅耦合器进行数值分析。以耦合效率为主要性能指标，分析了光源入射角度、光栅常数、光栅高度、填充因子和光栅刻蚀深度各参数的影响。采用电子束光刻法制备了光栅耦合器。最后，对三维全刻蚀聚焦波导光栅耦合器进行了测试。结果表明，二维波导光栅耦合器的性能最好，其耦合效率可达39.64%，三维全刻蚀聚焦波导光栅耦合器在实际测试中的耦合效率能达19.91%。光栅耦合器能有效将光耦合进波导中，在波导传感中具有潜在的应用。

为了有效简化表面光栅耦合器的制备工艺和降低制备难度, 设计了一种互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容的高效氮化硅表面光栅耦合器, 采用二维时域有限差分(2D-FDTD)算法对耦合器的结构进行了建模、优化和仿真, 计算并对比了不同结构的耦合器光谱特性。研究结果表明: 在标准绝缘体上硅(SOI)晶圆上, 借助于CMOS后道工艺, 所设计的氮化硅表面光栅耦合器在通信波长1550 nm附近的最高耦合效率为-3.36 dB, -3 dB带宽为101 nm。

近年来,片上光子集成技术备受关注并飞速发展, 但在光纤与芯片、芯片与芯片上实现高效、高可靠性的光耦合仍是难题。光栅因其制作简单, 位置灵活, 对准容差大及可实现片上测试等一系列优点而备受研究者的关注。目前在绝缘体上硅(SOI)平台和绝缘体上铌酸锂(LNOI)平台上已开发出大量的光栅耦合器件, 并获得较高的耦合效率和大带宽。该文主要介绍光栅耦合器的工作原理和主要性能指标, 阐述了均匀光栅、倾斜光栅、闪耀光栅和切趾光栅耦合的特点及现阶段进展, 并对具有代表性的一维光栅性能指标进行了比较。结果表明, 分布式布喇格反射镜和金属反射镜可有效地提升光栅耦合效率。此外, 该文还介绍了基于LNOI平台的几种光栅耦合器, 其可帮助研究者们梳理光栅耦合器的发展历程、研究现状及各耦合器的特点, 为未来研究提供一定的参考。

为实现单模光纤与锗硅材料器件的垂直耦合并提高耦合效率，设计了一种锗硅光栅耦合器。通过在硅衬底上增加金属反射层来提高光栅的耦合效率，并利用时域有限差分法仿真软件对锗硅光栅的刻蚀深度、刻蚀槽宽和光栅周期等结构进行了优化。然后，分析了有无金属反射层时的功率和电场分布情况，计算了光栅耦合效率。仿真结果表明，在最佳工作波长1466 nm处，有金属反射层均匀光栅得到的光栅最大耦合效率为-1.34 dB，相比无金属反射层光栅，最大耦合效率提高了9.4 dB，并且光在波导中的定向性得到了明显的改善。另外，为进一步提高耦合效率，在均匀光栅的基础上仿真设计了两步变迹光栅，相比均匀光栅最大耦合效率提高了0.55 dB。同时，对耦合光栅中的金属层厚度、锗硅材料折射率和光栅尺寸三个方面行了工艺容差分析，结果表明，所设计的耦合光栅对工艺偏差具有较高的容忍度。最后，制作了锗硅耦合光栅器件，测试结果表明，在工作波长1465 nm处，获得了-2.7 dB的最大耦合效率。

基于X-切绝缘体上薄膜铌酸锂平台, 提出并设计了一种高耦合效率的切趾一维光栅耦合器。采用非晶硅覆盖层材料, 结合亚波长光子晶体等效方案和遗传算法增强光栅耦合效率。在中心波长1550nm处, 光栅的峰值耦合效率为-1.08dB, 通过引入底部金属反射镜可进一步提高至-0.53dB, 其1dB带宽约为61nm。

太赫兹解复用器和光栅耦合器的传统构建方法需借助经典理论和经验计算,故它们的设计流程复杂,而且性能依赖于单元结构参数。随着逆向设计方法的提出及应用,该方法可以在限定大小的基片上设计出符合功能需求的器件结构。基于此,将逆向设计方法应用于太赫兹解复用器和光栅耦合器的设计,器件的尺寸分别为3 mm×3 mm×200 μm和12 mm×12 mm×200 μm。FDTD(Finite-Difference Time-Domain)的仿真结果表明,太赫兹解复用器能够将一束含两种频率的太赫兹波完美地从两个端口分离,并且透射率在0.500 THz和0.417 THz频率处均高达0.75以上,其相邻通道间的串扰低于-19 dB。太赫兹光栅耦合器的耦合效率在0.32 THz频率处高达0.85。