随着数字化进程的推进,高速信息传输与海量数据存储成为人们日益增长的需求。硅基光子学可以通过CMOS制造工艺实现低成本、低功耗、高良品率的大规模光子集成,为突破计算性能瓶颈和提高信息传输速率提供理想的解决方案。目前,硅基单片集成长波长量子点激光器的寿命已达到商用标准,同时硅光子平台提供了低损耗的无源器件以及带宽不低于30GHz的高速光电调制器和光电探测器,将这些共用同一硅衬底的激光器与在CMOS工艺线上制备出的硅基光子集成芯片进行耦合更为迫切地摆上硅基光子学的研究议程。但是,由于硅基边发射激光器输出的光场模式与标准硅光子波导的模式之间存在较大失配,同时此类激光器的出光位置与硅光子器件平面没有共面,导致硅基激光器无法与硅基光子集成芯片实现高效耦合。本论文工作围绕国家重点研发计划重点专项课题和北京市科技计划课题展开,针对硅基激光器与硅基波导之间的耦合问题,提出了一种硅基Ⅲ-Ⅴ族激光器与硅上氮化硅基（SiN-on-Si）光耦合结构的单片集成方案并进行了实验论证。主要研究成果和创新点如下:（1）设计了一种与CMOS工艺兼容的新型硅基单片集成芯片中Ⅲ-Ⅴ族半导体激光器输出光耦合结构。该结构包括SiN基锥形边缘光耦合器和基于超材料结构的SiN基层间定向光耦合器两部分,其垂直耦合距离为1.4 μm,总耦合长度为32.72μm。仿真表明,1550 nm边发射激光器输出光耦合到底部SiN基波导的总耦合效率为-8.92 dB,其中SiN基锥形边缘光耦合器的耦合效率为-3 dB,SiN基层间定向光耦合器的耦合效率为-5.92 dB;整个光耦合结构的1 dB光学工作带宽约为131 nm。该结构的优势在于:在满足较大垂直耦合距离要求的前提下,能够基于较小的总耦合长度,将插入损耗控制在可接受的范围内,并具有较宽的光学工作带宽。（2）完成了上述光耦合结构的制备与实验测量。基于常规外部光源的测量表明,1550 nm边发射激光器输出光耦合到底部SiN基波导的总耦合效率为-9.5 dB,其中SiN基锥形边缘光耦合器的耦合效率为-3.4 dB,SiN基层间定向光耦合器的耦合效率为-6.1 dB;整个光耦合结构的1 dB光学工作带宽大于58.1 nm。除带宽指标外,器件的测量结果与仿真结果吻合较好。带宽吻合度差有可能是电子束光刻时的齿宽误差所致。基于片上光源（主模波长为1545.34 nm）对SiN基锥形边缘光耦合器的测量表明,其耦合效率为-4.1 dB,较之基于常规外部光源的测量结果为低,造成这一差别的因素较多,包括片上光源工作在多纵模状态、且其主模波长偏离设计值;片上光源与该边缘光耦合器的横模模场尺寸不匹配,以及两者之间缝隙填充材料的参数与设计时的参数不相符合等。但从总体上看,实测结果已经证明了该光耦合结构的可行性。上述实测条件和仿真模型参数的吻合问题有待在后续研究中予以解决。进一步的分析还表明,该光耦合结构的性能仍有提升空间。