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光栅作为一种重要的光学元件,在漫长的历史长河中被不断的探索。二十世纪五十年光栅技术开始蓬勃发展,至今工艺已经十分成熟。随着信息技术的不断发展,硅基光子学研究的不断深入,硅基光栅耦合器以其工艺简单,易对准,对准容差大,无需划片,便于集成的优势得到了广泛的关注。本文根据平面波导的导模原理,在分析光栅耦合的位矢条件和光在波导中的偏振特性的基础上,利用等效介质模法和有限时域差(FDTD)分计算方法,对偏振无关光栅耦合器,紫外光栅耦合器,以及基于silicon-on-sapphire材料的波长为2.78)的光栅耦合器进行了研究。本文的理论工作如下:(1)设计了一种偏振无关光栅耦合器。传统偏振无关光栅耦合器讨论的都是TE波和TM波的基模,通过设计复杂的结构来实现偏振无关的设计。本文中,则讨论TE波的基模TE0和TM波的一阶模TM1,设计出了结构更简单的偏振无关光栅耦合器,并且取得的效果更好。这种偏振无关耦合器可以实现TE波和TM波的同时耦合。当为1.56μm时,TE波和TM波的耦合效率相等,并且超过60%。TE波和TM的耦合能量最高分别是72%和75.15%,1dB带宽分别为30nm和40nm,耦合能量峰值所对应的波长之间的差异大约有35nm。(2)设计了一种偏振无关的光栅分束器。这种光栅分束器是基于布拉格衍射条件和位相匹配方程设计的。有限时域差分法(FDTD)方法模拟结果显示,当光通过光栅分束器后,向两不同方向的波导中分束,两方向所分的能量几乎相等。TE波耦合进右边波导和左边波导中的耦合效率分别是42.54%和43.68%。TM波为46.03%和44.07%。该光栅分束器采用周期性结构设计,最小线宽为360nm,工艺上可以实现,也是现在所有同类型设计中最简单的结构。(3)设计了一种紫外波段的光栅耦合器,可以使波长为300nm的紫外光,通过光栅耦合进SiO2波导中,耦合效率超过60%;在波长为296nm时,耦合效率可达88.5%。经理论分析和数值模拟,最终得到光栅周期为0.28μm,光栅脊宽154nm,1dB带宽为5nm,这种设计可以很好的应用于片上光谱仪的研究。(4)在硅基蓝宝石上设计一种光栅适用于2.7μm波长的光耦合进波导,耦合效率可达75%,通过引入反射光栅布拉格反射层使耦合效率提高到80%以上。主要可用于片上光谱仪的研究