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光栅的研究和应用有着悠久的历史。随着光通信技术和大规模集成光路的飞速发展,新型的光栅器件受到国内外研究者越来越多的关注。亚波长光栅(Sub-wavelength Gratings)具有结构简单、设计灵活、效率高、易于集成等优点,且可以通过微纳加工技术制备,在滤波器、激光器、探测器等光电器件中有着广泛的应用。通过对亚波长光栅结构参数的合理设计,不仅可以获得所需的反射率和带宽,还可以实现对光束传播方向的控制,因此亚波长光栅可以用来设计各种不同功能的器件。本文的工作围绕亚波长光栅展开,重点研究了其分析理论和设计方法,完成了基于亚波长光栅的两种不同结构和功能的分束器件的设计,具体研究内容和创新性成果如下:1、研究了周期亚波长光栅衍射特性的理论分析方法,包括严格耦合波理论(Rigorous Coupled-Wave Analysis, RCWA)及经典模式理论;同时研究了非周期亚波长光栅的数值计算方法——有限元法(Finite Element Method, FEM),介绍了其求解的原理和过程,以及基于该方法的仿真工具。用严格耦合波法验证了一维周期亚波长光栅的宽带高反高透特性和偏振敏感特性。2、提出了基于双层一维亚波长光栅结构的具有汇聚功能的偏振分束器。在1550nm波长的TE和TM混合光入射下,该器件可将两种偏振光分离开,并使两束输出光各自实现汇聚。理论计算结果表明,器件对TE和TM偏振光的总透射率分别为78.3%和93%,偏振消光比分别为13.8dB和10.3dB,且具有较好的汇聚效果。3、提出了基于二维非周期亚波长光栅的偏振无关功率分束器,该器件对1550nm波长的TE与TM混合波可实现偏振不敏感透射和功率均分。理论计算结果表明,器件在1550nm的混合偏振光入射时的总透射率为86.35%,且在1:1功分的同时使两束输出光汇聚成两个焦点,焦距为6.3μm,与设计的6.5μm很接近。功分器的插入损耗为3.65dB,且在1500nm-1600nm的波长范围内,总透射率皆大于85%。4、设计了尺寸为250×250μm~2、焦距为200μm的二维亚波长光栅功分器,完成了光栅版图的绘制和SOI芯片的刻蚀制作。与课题组其他博士协作搭建了用于测试光栅功分器分束性能的实验系统,远场测试结果表明,两束输出光在光栅透射面以下1mm处的光强比为1:0.9,两个光斑的光场强度最大点相距约500μm。