近年来，基于硅光子集成的硅基光互连得到了极大的关注，因为它结合了CMOS工艺的超大规模逻辑、超高精度制造和传统光通信技术的超高速率、超大带宽的优势，能够解决电互连在传输高频信号时遇到的能耗大、带宽窄及光电子集成系统成本高的瓶颈。国际上一致认为以光作为传输信息载体的硅基光互连技术将在长途通信、城域网、局域网、背板互连、芯片间互连和芯片内互连中广泛应用，在光通信、高性能计算、生物、国防等领域起着极其关键的角色。类似于电芯片，硅光子集成芯片包含光源、调制器、探测器、光开关、光波导等器件的实现某种特定功能的芯片，如收发芯片。硅基光源作为硅光子集成芯片的核心，由于硅是间接带隙材料，不能有效发光导致目前仍缺乏统一的方案，是光子集成芯片中研究的重点。目前，硅基光互连中的光源方案有两种，一是在芯片外部引入光源，但是该方案是的互连系统变得复杂、耦合困难且光源个数受限。另一种光源方案是硅基混合集成Ⅲ-Ⅴ族材料的硅基片上光源，与芯片外引入光源相比，它的优势是易于与硅集成、光源密度高，更有发展前景。目前的硅基混合集成Ⅲ-Ⅴ族材料的硅基片上光源的实现方式包括基于异质晶片键合技术和倏逝波耦合原理的硅基混合激光器、基于芯片倒装焊技术的端面耦合外腔硅基激光器和通过MOCVD或其它技术直接硅基外延Ⅲ-Ⅴ族材料激光器。知道硅基外延Ⅲ-Ⅴ族激光器的难点是很难在硅基上外延大面积晶格失配的Ⅲ-Ⅴ族有源材料，目前只有倏逝波耦合硅基混合激光器和倒装焊端面耦合外腔硅基混合激光器是目前可行的方案。倏逝波耦合硅基混合激光器的科学问题是大面积高质量的晶片键合技术、硅波导高效耦合输出以及与传统光电子工艺兼容的大规模低成本制造及集成，但问题是现在报道的倏逝波耦合硅基混合激光器都是采用楔形波导和电子束曝光工艺制备的，制作成本昂贵且不与传统的光电子工艺兼容。倒装焊端面耦合外腔硅基混合激光器的科学问题是发光单元与硅的高效耦合、倒装焊技术的精确对准以及低成本大规模的制作与集成，但问题是目前报道的外腔硅基混合激光器都是将光放大器与复杂的硅基模斑变换结构和外腔选模结构耦合而成，增大了CMOS工艺复杂度和成本，且耦合效率仍然有待提高。针对上述两种硅基混合激光器存在的问题，且鉴于上述两种类型的硅基混合激光器对硅光子集成芯片非常重要，研究者们都在寻求新机理、新方法、新结构来突破和提高硅基混合激光器存在的科学问题。本论文创新性提出了基于光子晶体微结构且与传统光电子工艺兼容的新型倏逝波耦合硅基混合激光器和新型倒装焊端面耦合外腔硅基混合激光器。具体研究内容如下:　　(1)研究了基于晶片异质直接键合和倏逝波耦合原理的硅基混合激光器和基于倒装焊技术和端面耦合原理的硅基混合激光器的相关理论，包括倏逝波耦合理论、端面耦合理论和激光器模式理论。　　(2)研究了上述两种硅基混合激光器的关键技术:异质晶片直接键合技术和芯片倒装焊技术。研究了InP与SOI晶片由于温度系数的失配对键合质量的影响以及键合界面的化学反应带来的界面空洞问题。针对上述问题提出了解决方案并进行了InP/SOI晶片直接键合实验得到了较好的键合样品。研究了芯片倒装焊的不同的耦合方式以及存在的问题。垂直耦合方式回波损耗大、输出功率低;水平方向的端面耦合存在模斑不匹配、耦合精度要微米、亚微米级;针对以上问题提出了解决方法。研究了SOI上金属焊料以及倒装焊过程中温度、压力曲线和吸头的真空值的设定。实现了单个激光器管芯以及多个激光器管芯与SOI的倒装焊。　　(3)研究了基于光子晶体结构新型倏逝波耦合硅基混合激光器的设计、模拟、制备与测试。该新型倏逝波耦合硅基混合激光器的具体研究内容有:(a)对InP/AlGaInAs外延材料进行了设计和优化;(b)将InP/AlGaInAs外延材料与SOI键合后形成SOI/InP/AlGaInAs复合外延结构;通过模拟和分析，确定了激光器几何参数。(c)最后成功制备出1550nm倏逝波耦合硅基混合硅波导输出单模激光器。测试结果为脉冲输出功率3.5mW，阈值电流30mA;室温直流输出功率1.13mW，阈值电流55mA。激射波长1532nm，边模抑制比18dB。　　(4)研究了基于大容差耦合波导的新型端面耦合外腔硅基混合激光器的设计、模拟制备与测试。该新型外腔硅基混合激光器的具体研究内容有:(a)在InP脊波导上引入一维光子晶体结构选出一个纵模，通过理论模拟与分析，给出了合适的激光器几何参数，成功制备出1550nm单模边发射激光器;(b)在SOI上晶片上设计制作两种大容差硅耦合波导，将制备好的1550nm单模激光器管芯倒装到制备好大容差耦合波导的SOI芯片上，最后成功制备出新型端面耦合外腔硅基混合激光器，室温连续下，硅波导输出功率1.4mW，边模抑制比35.7dB，激射波长1556nm，激光器耦合效率16％。