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微纳光子集成技术的迅猛发展对单芯片上器件的集成度、功能、性能等提出了更高的要求,这使得单个光器件具有更小尺寸,单个芯片上集成更多功能的器件。因此,负责器件互连的波导交叉单元能否具备微型化的结构和优越的损耗和串扰性能,将直接影响整个集成光路的质量。同时,SOI(Silicon On Isolator)材料作为光集成研究的热门材料其具有的高折射率差可以更好的将光信号束缚在波导中减小散射损耗的影响,且具备与CMOS技术的兼容性、器件结构微型化等优点。令人遗憾的是,SOI大的芯/包层折射率差使光波导模的空间角很大,经过波导交叉处时侧向约束消失进而产生显著的散射,两者之间的矛盾阻碍了光子集成器件发展。通常,SOI光波导单次直接交叉的损耗和串扰分别为1～1.4dB和-15～-10dB,而大量交叉互连产生的损耗和串扰对单芯片而言显然难以接受。为解决上述问题,作者以MMI的自成像特性为依据,设计了一种工艺简单、结构紧凑、低损耗、低串扰的SOI波导交叉单元,在整个1500nm到1600nm的通信波段都具有良好的损耗和串扰性能,有望在未来的集成光路中得到广泛的运用。本论文的主要研究内容如下:(1)分析了传统SOI脊形十字光波导的单模条件,得出不同刻蚀深度和脊宽条件下的单模区间,并对其光场分布和传输特性进行了COMSOL仿真。得出了适用于SOI脊形波导的等效折射率降维方法。(2)结合矩形MMI耦合器自成像的理论分析,构建了基于MMI的矩形波导交叉单元并使用COMSOL进行仿真,在尺寸为13.2μm×13.2μm的情况下单次传输效率为95.419%(约0.18dB的损耗),串扰约为-44dB。(3)构建了低损耗的锥形结构模式匹配器,分析了锥形模式匹配器的结构尺寸变化对MMI波导自成像特性和整个器件性能的影响并找出最优尺寸。(4)提出了基于MMI的椭圆型SOI结构波导交叉单元的理论分析方法和通用于两种主流光子集成光路(连接的波导宽分别为0.45μm和0.5μm)的波导交叉单元的完整设计方案。通过COMSOL仿真计算表明在1500nm到1600nm的通信波段中,尺寸为13μm×13μm的情况下单次传输效率不低于96.49%(约0.155dB的损耗),进入垂直波导上下通道的串扰低于-46.5dB。