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。

针对光栅垂直耦合器耦合效率低,仿真耗时长的问题,搭建了具有多层异质结构的逆设计仿真平台。将以逆设计功能为导向的思想及高性能计算的优势相结合,只需构建初始结构和设定目标功能,即可利用凸优化算法设计具有复杂多层异质结构的微纳光子器件。基于此平台,设计并实现了高性能垂直耦合器。此外,利用Al反射镜可极大地提高该垂直耦合器的耦合效率。仿真结果表明,该新型垂直耦合器在1550 nm处的耦合效率为88.42%(没有加Al反射镜时,耦合效率为32.45%),3 dB带宽为103 nm (1500~1603 nm)且具有良好的带宽特性和低损耗特性。

提出了一种基于准分子激光制备45°微反射镜的新方法──激光阶梯刻蚀法，介绍了该方法的工艺流程。通过优化参数制备了微反射镜样品，详细分析了样品参数对微镜反射性能的影响。利用微反射镜样品进行垂直耦合实验，深入讨论了影响系统损耗的主要因素。实验结果表明，微反射镜样品造成的损耗约为3.5 dB。该制备方法有望在大尺寸光波导互连背板耦合器件的研制中得到广泛应用。

垂直耦合结构纳米微环谐振器是光子集成电路的重要组成单元。主要研究了与其实际制作相关的工艺失准问题。针对高折射率差波导材料垂直耦合结构纳米微环谐振器，先用耦合模理论解析方法研究了耦合系数与直波导和微环波导耦合层厚度d以及横向偏移量Δ之间的关系，为三维时域有限差分法（3D-FDTD）的精确数值计算确定了模拟范围。之后结合解析方法和3D-FDTD数值计算研究了Δ和d的制作工艺容差。研究发现，当d=30 nm，偏移量Δ在130~265 nm之间变化时，耦合系数始终保持在较高值，为垂直耦合结构纳米微环谐振器的工艺制造提供了很大容差，对其实际制作较有意义。

对红外傅里叶变换光谱仪动镜支撑机构的核心部分—柔性铰链机构进行了研究。以柔性单补偿杆式机构为基体,设计出一种柔性双补偿杆式机构。利用有限元分析软件Patran和Nastran对其进行了模拟计算，并和目前国内最好的柔性单补偿杆式机构进行比较。然后，根据模拟计算得出的结构参数加工出简易实物，并对实物进行了实验测试及误差分析。结果表明，在模拟计算中，柔性双补偿杆式机构使动镜的垂直耦合位移缩小为柔性单补偿杆式机构的6.8%；误差分析认为柔节的长度公差是引起动镜垂直耦合位移的一个重要因素。因此，若要提高动镜支撑机构的精度，加工时必须严格控制与柔节相关的尺寸公差。

设计并试制了一种新型垂直耦合光互连线路结构,可用于高速计算机内部等垂直堆叠的多层连通光互连的芯片间光信息通讯。其结构简单,且具有较小的连接损耗(可低至0.05 dB)。对四种不同的典型波导截面(分别为30 μm×30 μm,50 μm×50 μm,100 μm×100 μm,200 μm×200 μm),利用蒙特卡罗多光线追迹分析法对跨越1～6层的垂直耦合结构进行了性能分析,发现当该结构的跨越高度与横向跨越距离的比值约为0.128时,可实现较理想的低损耗(低于1 dB)光传输。采用软光刻的方法制备了实验多层光互连线路,其性能测试与理论结果基本相符。