传统的集成光学器件,大多是基于二维平面制作的,只能处理一维空间的光信号。而在实际中存在着大量数据流、图像处理、人工视觉、神经网络和光学并行运算等许多应用领域需要的是二维空间的光信息处理。要适应这些应用领域,必须发展三维集成光学。三维集成光学器件在保持二维集成的可靠性和结构稳定性基础上,可有效扩大单个芯片上的信道数,增加集成密度,缓和输入输出光纤连接或电子连接困难等问题。 基于自映像效应的多模干涉(MMI)耦合器具有结构紧凑、插入损耗低及容差性好等优点,被广泛地应用于集成光学回路中。但现有的多模干涉器大多是基于一维自映像效应。近年来,二维MMI耦合器受到普遍关注,其多模波导区在横截面两个方向上都支持多模,不仅保留了一维MMI耦合器的优点,还利用二维自映像效应将平面集成向空间集成拓展,大大提高集成度。 论文首先对一维MMI器件一般和重叠成像特性进行理论分析,系统地给出成像位置的表达式和成像规律,并推广得到了任意输入场位置和位置数大于1所对应的成像规律,为二维MMI器件的设计提供了理论基础。在此基础上对二维MMI器件一般成像特性进行理论分析,得出成像位置可以看成两个方向成像位置的组合,相位等于两个方向相位的和的成像规律。 论文系统分析了二维MMI器件的重叠成像现象。当输入场位置发生变化时,横截面上将产生一个或两个方向的重叠成像,可以实现一个或两个方向的非均匀分束。本论文首次推导了有关重叠像个数、位置、相位关系及强度分布的计算公式,总结出二维MMI器件重叠成像规律,并用导模传输分析法和BeamPROP软件验证了计算公式及成像规律的正确性。 论文设计、制作了基于SOI材料的三维集成多模干涉型光分束器,并在实验上首次实现了二维MMI光分束器。该器件在三维空间光互连、光同步、波分复用等方面有着诱人的应用前景。 对三维集成光学器件中常见的空间多波导进行理论分析。将平面波导耦合模理论推广到空间多波导之间的耦合,导出了空间多波导的耦合方程。利用该耦合方程对空间三波导和四波导进行求解,得出场分布的解析表达式,并用三维全矢量光束传输法验证了分析结果。 三维集成光分束器是三维集成光学的基本功能单元,论文在理论和实验上对三维集成多模干涉型光分束器进行了深入地研究,这些研究工作为三维集成光学及其器件的研究和发展打下重要基础。目前三维集成光学无论是理论还是实验都处于研究初期,今后一定会有更完善的理论结果、更多的材料及更新的器件涌现。