近几十年来实现特定功能的集成光波导器件快速发展,成为光通信产业迅速提升的主要推动力,但是光波导器件存在众多技术分支,其结构和形态各异,并且其长时间以来技术标准不统一,导致在异种光波导器件进行光互联时存在模场失配巨大、兼容性差等瓶颈,高效率的集成光波导耦合技术是解决该问题的关键。集成光波导耦合技术的理论基础主要是严格耦合波理论,本文中耦合光栅初始设计均以此为理论依据,在完成初步设计后运用FDTD数值分析法对其进行仿真优化。波导耦合器件基底材料主要有硅基、氮化硅、磷化铟等,目前主流以硅基为基础,典型的耦合器件有光栅耦合器、光滤波器、光分束器等。本文的工作主要致力于研究集成光波导耦合技术,解决光波导器件耦合效率低、耦合难的技术问题,研究方法为:基于光波导耦合理论,对光栅耦合器件的耦合条件进行研究并建立耦合模型,基于模型分析光波导耦合器件典型结构参数与耦合效率传递关系,并结合仿真计算进行优化及设计输出。本文中选取基于SOI（Silicon-On-Insulator）结构的光栅耦合器为主要研究对象,主要完成的工作包括:（1）基于设计理论中布拉格条件、严格耦合波理论等进行了相关推导和耦合模型建立,为后续参数分析提供理论模型依据;对基于数值计算的光束传播方法BMP和FDTD算法的原理及性能进行了对比分析,并采用FDTD数值计算方法作为后续仿真实验技术工具;探讨了粒子群优化算法和本文设计中运用的伴随优化算法在优化设计中的技术特点。（2）基于耦合模型中关键参数分析及相关推导,获得了耦合光栅波导层高度、光栅周期、SiO₂层厚度、入射角度、反射层厚度和位置对耦合效率的传递关系;基于数值仿真探讨并验证了核心参数与耦合效率间相互关系及取值范围,基于相关结果获得了各结构中的最优设计参数值。（3）设计了一款大带宽高效率光栅耦合器。基于前文的理论研究结果,采用在SiO₂层设计三层结构的布拉格反射层（Si/SiO₂/Si）的架构实现高效耦合,通过结构位置优化和伴随优化算法仿真,完成了大带宽高效率的光栅耦合器的详细设计和参数优化。该器件性能为:对于入射波长为1550nm的TE₀偏振光,其耦合效率61%,-3dB带宽81nm。在优化模型完成后,将该模型波导层中Si材料采用氮化硅（Si₃N₄）和磷化铟（InP）材料进行替换,在进行优化后提取出耦合效率曲线,证明氮化硅作为波导层材料的可行性。（4）对Si基器件的制造工艺进行介绍,并分析光刻过程中主要加工工艺带来的光栅误差对耦合效率的影响,再针对工艺误差带来的耦合效率劣化进行仿真分析;同时对光纤对准误差与耦合效率的关系进行了仿真,获得了耦合中的优先原则。