硅基光子学将光子器件硅片化、小型化,并与纳米电子器件相集成,成为实现高集成度光子芯片的最佳选择。随着目前高精度纳米制造工艺的发展,光子器件的逆向设计方式被提出。这种设计思路大大增加了器件结构设计的可能性,理论上可以拥有任意的尺寸和形状,结构的多样性为器件实现新型功能打造了更广阔的可操作性。因此,逆设计研究具有非常重要的意义。论文主要研究逆设计方式实现方法,以及基于逆设计的器件功能拓展,主要包括以下内容:(1)详细分析了逆设计方法整体设计过程。逆设计器件仿真主要由MATLAB编程的待求解问题定义模块和器件结构优化模块、python编程的电磁场求解模块组成,详述了各模块的作用以及相互数据传输流程。总结了逆设计仿真过程:一是生成过程,用来定义各类初始结构参数和器件的目标性能;二是优化过程,主要包括全局优化、局部优化、二值优化;三是电磁场求解过程,详述了FDFD求解算法;四是验证过程,导入Lumerical验证器件性能。(2)在逆设计平台上进行优化技术的研究,拓展器件功能。首先对器件的设计区域进行优化,主要包括修改设计区域形状和进行多区域优化。将设计区域形状修改为圆形或矩形,探究不同设计区域形状对优化结果的影响。计算结果表明,矩形区域在利用逆设计方法设计模式转换器的时候,转换效率(95.44%)比圆形区域(89.78%)效果好,分区域优化虽然可以提升计算时间,但是转换效率受到多区域影响略有下降(85.95%)。(3)利用逆设计方式首次在SOI上实现了尺寸为2.8μm × 2.8μm的T型偏振分束器,1550nm的TM、TE基模分别从上下端口输出实现偏振分束,转换效率分别是83.08%和78.83%;由该器件的带宽特性可见,在1558nm处TE、TM的两个输出端口的插入损耗分别为1.93dB和1.84dB,消光比分别为19.3dB和13.99dB;改变输出波导的位置,发现将T型偏振分束器的输出波导放置于设计区域中心垂线的位置上,能够得到较优质的偏振分束效果。(4)采用逆设计方式设计了光纤和波导之间的垂直耦合器以及光纤模式到硅基波导模式的模式转换器。首先用逆设计方法设计单模光纤和波导的垂直耦合,计算出耦合效率为33.83%,论证了逆设计算法在光纤和波导垂直耦合设计上的可行性。接下来详细分析了少模光纤和波导的垂直耦合的过程,将包含LP01和LP11模式的少模光纤垂直耦合进入波导,转化为波导TE基模输出,耦合效率分别为30.47%和21.62%,验证了逆设计算法实现少模光纤和波导垂直耦合的可行性。