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随着光通信的迅速发展,耦合器件在光通信系统中的应用愈加广泛,对于高性能耦合器件的研究也显得尤为重要。耦合器在集成光学领域通常以硅为基底材料,多采用SOI(Silicon-on-Insulator)结构,层结构之间较大的折射率差异,使其具有高效的波导传输特性。基于SOI的光栅耦合器作为一种光信号的输入和输出的耦合器件,因具有高耦合效率和大工作带宽等优势而成为集成光学耦合领域研究的热点并受到极大重视。然而,传统的非垂直耦合光栅耦合器在很大程度上影响了耦合器件的大规模集成应用,因此对完全垂直耦合光栅耦合器件的研究和设计也应运而生。这一耦合形式的突破,大大拓宽了光栅耦合器在光通信系统中的集成应用和发展的范畴。本论文围绕基于SOI结构的光栅耦合器的耦合特性及其在光通信系统中的应用加以研究,主要的研究成果和创新点如下:1、深入分析了光栅耦合条件——布拉格条件(the Bragg Condition,BC),阐述了严格耦合波理论(Rigorous Coupled Wave Analysis,RCWA),并对光栅耦合器结构参数的计算给出了详细的推导过程;此外,对光栅耦合器的仿真和数值计算方法——有限元法(Finite Element Method, FEM)的核心思想以及基于有限元法的COMSOL软件仿真过程中的边界条件设定,网格划分方法等做了详细的讨论。2、完成了基于SOI结构的一维周期性光栅耦合器的研究和设计。依据布拉格条件,在给定的SOI光栅层厚度条件下,合理地计算和优化光栅周期、占空比、光栅槽刻蚀深度等结构参数。仿真和计算结果表明,波长为1550nm的平面光波垂直入射时,耦合效率达到80%以上。3、提出了新型的基于倾斜SOI的光栅耦合器,器件可以实现光纤与波导之间的高效率垂直耦合。在普通平面SOI光栅耦合器的基础上,设计了倾斜SOI结构光栅耦合器,并给出了倾斜层结构的设计方法。仿真表明,该光栅耦合器可以在1500-1600nm波段范围内实现高效率的垂直耦合,且在垂直入射的1550nmTE波下,最高耦合效率达到 88.6%,1dB 带宽为 40nm。4、提出了垂直耦合的二元闪耀光栅耦合器。依据基于形式双折射理论的一阶近似法和更加精确的高阶近似模型的等效介质理论,设计完成了光栅层厚度340nm的二元闪耀光栅耦合器,且在垂直入射的1550nm光波下,得到的耦合效率在65%以上。5、完成了基于SOI的周期为630nm的一维光栅耦合器和焦距为400μm的反射型汇聚亚波长光栅样片的制备,并且与人合作搭建光学测试系统,完成了反射型汇聚亚波长光栅反射率的测试,通过对反射光功率的测试和计算得到其焦点附近的反射率为80.4%,与仿真所得的反射率结果的误差在可接受的范围内。