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全球信息技术正处于创新活跃期,在新型业务及应用的驱动下,数据流量呈爆发式增长,对底层互联系统和器件在带宽、容量、成本及功耗方面均提出了严峻的挑战。为了实现全波段、高速率、大容量和智能化的光网络运作,光子技术与电子技术相同,集成化成为了必然的趋势,这样可以在降低分立器件的体积、功耗、成本的同时,还获得了性能的提高。目前主流的光子芯片的材料体系有铟磷基材料、硅基材料及氮化硅材料等。波导布拉格光栅(Waveguide Bragg grating,WBG)作为一种滤波装置具备体积小、集成度高等特点,在光子集成芯片中具有重要的用途并得到了广泛的研究,通过改变光栅的周期、折射率变化、相位等参数可以实现各种不同的光谱响应。目前,布拉格波导光栅已经广泛应用于各种有源/无源器件,如激光器、调制器、模式转换器等,并随着对器件性能要求的提高,对光栅的设计也提出了更高的要求,希望光栅的体积更小、制作工艺更简化、性能更优等。本文分别介绍了WBG在无源滤波器以及半导体激光器中的应用。介绍了WBG的仿真方法,并通过该方法对几种典型结构的WBG进行仿真计算,根据计算结果对其性能进行了研究讨论;之后介绍了分布反馈式(Distributed feedback,DFB)激光器在频域和时域中的仿真模型,并通过该模型计算对不同结构的WBG在DFB激光器中所产生的影响进行研究,另外还介绍了DFB激光器的后续工艺制作;在前面两部分的研究基础上,本文分别提出了两种新型片上集成的无源器件结构和有源器件模型:1、本文提出了一种基于交错光栅的片上集成窄带反射器(Narrowband reflector,NBR)并给出理论依据,该NBR主要由单模波导(Single-mode waveguide,SM-WG)、锥形波导(Taper)、相移交错光栅(πphase shifted antisymmetric Bragg grating,π-PS-ASBG)以及均匀光栅(Uniform Bragg grating,UBG)四个部分组成。π-PS-ASBG可以实现TE0模与TE1模之间的转换,使得透射光为TE0模,反射光为TE1模,并且在布拉格波长处可以形成一个透射窗口,同时伴随着光的谐振;UBG当作一个反射镜用于反射从π-PS-ASBG透射过去的TE0模的光;SM-WG与Taper用于泄露高阶模式的光以保证获得纯净的TE0模的反射光。与传统的NBR不同的是,该结构的反射带宽随着光栅的耦合强度增加而降低,因此不需要增长光栅长度以弥补反射率的不足,增加了器件制作工艺的容忍度并且减小了整个器件的体积。根据计算,当光栅的长度为400μm时,器件的3-d B反射带宽为0.16 nm。此外,本文还通过对器件的各个部分进行仿真计算,经过优化获得最佳参数值,为后续研究奠定基础;2、本文提出了一种基于新型NBR的外腔反馈型窄线宽半导体激光器(Narrow linewidth semiconductor laser,NLSL)模型并给出理论依据,该NLSL模型主要由一段增益芯片与新型NBR通过模斑转换器(Spot size converter,SSC)耦合在一起,增益芯片出光口一端镀有一定反射率的反射膜,另一端与NBR相连,通过NBR滤波之后对某一特定波长进行谐振以满足单模激射条件。由于外腔NBR增加了整个器件的有效腔长,延长了光子的谐振时间,因此激光器的线宽被压窄。传统的片上集成NLSL通常采用的是弱光栅耦合的NBR,整个器件的尺寸达到毫米量级,而所提出的模型因为采用了新型的NBR,其尺寸可以减小至微米量级,易于后续多器件集成与封装。本文对该模型进行了严格的仿真计算,得出了该模型具有良好的单模特性以及可以产生平稳的功率输出,根据计算结果,该NLSL可以产生线宽低于10 KHz的单纵模激射光谱。此外,本文还对NLSL与NBR之间的耦合效率、NBR的反射率等参数对器件性能的影响进行了讨论分析,以获得最佳参数值。