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本工作围绕亚波长光栅(SWG)展开,这种衍射光学元件周期长度小于入射光波长,只有零级衍射波才可以传导,其余的高级次衍射波均为倏逝波。SWG可视为一种特殊薄膜,其折射率为具有周期分布折射率的光栅层的平均折射率,调整SWG结构参数,使折射率在一定范围内连续可变。对入射光波长或入射角等物理量的微小的变化,SWG的衍射波的强度会发生突变。论文研究了工作在光通信C波段的InP基SWG,SWG周期小于1.55μm,采用电子束光刻(EBL)工艺实现精确加工以满足设计指标。建立SWG分析模型,利用导模共振异常效应,将SWG设计成高性能反射谐振滤波器,将其集成到通信用谐振腔增强型光探测器(RCEPD)中。通过提升RCE PD性能,有助于推动光纤通信系统、网络的升级。主要研究工作和创新点如下：1.对具有一维、二维周期分布的SWG(简称：1D-SWG, 2D-SWG),以及具有分布布喇格反射镜(DBR)堆栈膜系的SWG的衍射特性进行研究,理论分析方法是严格耦合波分析法(RCWA),时域有限差分方法(FDTD)和平面波展开法(PWE)。其中RCWA是严格的解析分析法,精度高,计算速度快。FDTD作为数值方法,用计算时间和计算空间的代价弥补RCWA的不足,便于对有限周期分布的SWG结构分析,RCWA与FDTD综合使用保证仿真结果可靠性又可提高计算效率。PWE方法可从能带的角度分析SWG的滤波本质。2.编写程序实现上述理论分析,可对SWG的衍射效率以及集成了SWG的RCE PD性能的分析,与已有文献的结果进行对比,验证了可靠性。可以分析SWG衍射效率、光探测器中光场分布、量子效率、串扰衰减、冲击响应、脉冲响应、阶跃响应和频率响应。3.提出将SWG与InP系DBR集成,使SWG具有宽带滤波效果,以便适应工作在光通信C波段的InP材料系。RCWA与FDTD互补使用,用PWE进行能带分析,研究一维、二维周期分布的SWG,以及具有分布布喇格反射镜(DBR)堆栈膜系的SWG的衍射特性与其周期、厚度、占空比等参数的关系。对于2D-SWG综合RCWA、FDTD方法设计出反射率高于99%、波长区间在1.47μm～1.59μm、峰值反射率大于99.9%的反射式滤波器。4.提出将SWG以反射式谐振滤波器的形式应用于InP系材料构成的RCE PD中。该种光探测器工作在C波段,用于WDM光通信系统解复用光接收机。理论分析探测器中光场分布、量子效率、串扰衰减、冲击响应、脉冲响应、阶跃响应和频率响应。设计的RCE PD类型如下：1)具有一个一维周期分布的SWG；2)具有一个二维周期分布的SWG；3)具有两个一维周期分布的SWG。5.重点针对便于工艺实现的具有一个2D-SWG的RCE PD,通过研究其内部呈现驻波效应的光场,指导吸收层位置的设置。理论分析表明SWG的引入使InP系材料反射镜所需的介质层数小于10对,有望解决InGaAsP/InP系DBR反射率低、反射带宽窄的问题,器件量子效率超过90%。台面尺寸为30μm×30μm的具有一个1D-SWG的RCE PD 3dB带宽仿真结果为15GHz。6.在实验上,与外单位合作,采用外延技术、EBL技术以及感应耦合等离子体(ICP)刻蚀技术,制备出InP基SWG结构,可以满足具有优化性能所需要的SWG的尺寸：SWG厚度265nm,周期为1.4μm,占空比为33%,粗糙起伏的平均高度从150nm减小到40nm左右。7.设计并制备了针对具有SWG结构的半导体光探测器光刻掩膜版图,为配合SWG的结构,引入方形台面,加入了小尺寸倒”T”型对准标记和光栅掩膜层。8.与他人合作,进行纳米线制备测试工作,完成了关于制备纳米线所需的Au-Ga合金纳米颗粒的原子力显微镜(Atomic Force Microscopy:AFM)测试,测试表明在不同的Au薄膜溅射厚度条件下,纳米颗粒密度分别为1.64×1010cm-2,1.26×1010cm-2,2.2×109cm-2,扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscopy:SEM)测试表明GaAs纳米线的平均长度分别为5.2μm,5.3μm,6.3μm,密度大于109cm-2。9.根据微栅尺寸和SEM测试结果估算了透射电子显微镜(Transmission Electron Microscopy:TEM)测试所用GaAs纳米线样品面积只需1cm2。用TEM测得了直径分别为24nm,68nm和168nm的GaAs纳米线样品的形貌。分析纳米线样品属于面心立方体结构,为闪锌矿结构的单晶,生长方向为[111]方向。