由于高集成度、工艺成熟和低成本等优势，硅基平台受到了学术界和产业界广泛的关注，已然成为集成光路的重要平台。随着硅光子学的不断发展，各种高性能的集成光子器件已经十分成熟，但是硅作为一种间接带隙材料，其发光效率并不能满足需求，硅基芯片仍需从引入外部成熟光源。由于耦合效率高、偏振无关、工艺简单和位置灵活等优势，二维光栅耦合器成为了连接外部光源与片上结构之间的重要桥梁，在硅基集成技术中扮演着重要角色。本文将围绕二维光栅耦合器展开一系列的研究，主要内容如下：
　　(1)介绍了二维光栅耦合器的基本原理、重要的性能指标以及数值分析方法。通过数值仿真，分别探讨了二维光栅结构参数、光纤耦合角度、光栅顶部SiO2层厚度以及波导内倾角度对二维光栅耦合器性能的影响，得出普通二维光栅最佳结构参数。
　　(2)通过分析偏振相关损耗的来源，提出类椭圆结构的新型刻蚀图案，通过补偿谱线漂移，实现了二维光栅耦合器的超低偏振相关损耗。通过多组二维光栅参数对比分析，探讨了光栅结构参数的容差性以及工艺难度。最后，通过实验证明：类椭圆刻蚀孔能在不降低耦合效率的情况下，使偏振相关损耗从2.6dB降到0.2dB，结构具有较好的容差性。
　　(3)针对少模光纤与硅基芯片的耦合需求，提出了基于二维光栅的多模耦合器。通过对二维光栅耦合器的刻蚀深度、圆孔半径、横向光栅周期和纵向光栅周期进行优化，在理论上实现对LP01模和LP11a模的高效耦合，耦合效率分别为41%和42.5%，模式串扰低于5%。根据仿真设计，完成了相关芯片的版图设计和制作，制定了相应的二维光栅测试方案。