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随着信息传输、交换量的迅速增加,人类对大容量的传输网络的需求越来越迫切.密集波分复用(DWDM)系统是最有能力将网络传输容量提高到Tbit/s的技术方案.研究DWDM用波分复用/解复用器具有重要的意义.硅基二氧化硅阵列波导光栅(AWG)具有损耗小、通道数多、易于集成等优点,是密集波分复用系统中的核心器件,设计、制造高性能的硅基二氧化硅AWG对中国DWDM技术的发展是必不可少的.该文首先对硅基二氧化硅AWG中关键的平板波导和阵列波导的模式折射率用几种方法进行了计算和比较,并采用BPM法对折射率差为0.75﹪和1.5﹪的方形波导的模式折射率进行了计算;接着给出了硅基二氧化硅AWG的较为全面的设计规则,计算了折射率差0.75﹪和1.5﹪的16、32和64通道的物理参数和几何参数,掌握了AWG设计的一般原则;对AWG的插入损耗和串扰进行了优化,指出在阵列波导的输入端和输出端的喇叭口能明显减小AWG的损耗,采用广角BPM法模拟了折射率差为0.75﹪和1.5﹪的16和32通道输出谱及64通道的部分输出谱,通过优化结构,其片内损耗和串优可达1.5dB和-45dB以下;由于二氧化硅与硅衬底的热膨胀系数不匹配,导致硅基二氧化硅AWG存在大的应力双折射,以有限元法分析了应力产生的原因及其对硅基二氧化光波导双折射的影响,提出了SiON上下双芯区补偿法和侧向硅应力平衡法减小硅基二氧化硅应力双折射的新方法;设计了折射率差0.75﹪、9×19的硅基二氧化硅AWG版图,并制备了相关的芯片,测试结果表明其中心通道插入损耗为16.8dB,串扰小于-20dB,通道间隔在0.74~0.82nm之间,3dB带度为0.5nm;对影响AWG串扰的相位误差做了系统的分析,指出阵列波导芯区宽度、厚度、芯区折射率、相邻阵列波导的长度差波动对AWG的串扰影响较大,而波导的上下包层的波动和功率分布波动对串扰的影响较弱,两种折射率差的比较分析表明,超高折射率差1.5﹪其波导参数的波动对AWG串扰影响更敏感,更需精确控制.