随着光通讯、计算机和互联网等信息产业的高速发展,人们对信息容量、速度以及成本有了更高的要求,而传统的电互联技术,由于其自身的局限性,已经无法满足人们的这种需求。因此,光互连技术应运而生,其中基于硅基的片上光互连技术凭借自身独特的优势吸引了越来越多研究者和企业的关注。然而,硅基光子片上集成仍旧很难实现,是由于硅基光子学领域存在很多难题,例如硅基光器件的损耗和尺寸问题,致使它们很难达到商用的标准。本文将围绕基于楔形波导(taper)对硅基无源器件的研究及优化展开,详细地分析了反向taper在减小硅基波导端面反射方面的作用以及taper对硅基无源器件进行优化的位置和作用。本论文的工作在减小硅基光器件的损耗和尺寸方面起到了极大的推动作用,有利于以后硅基片上光子集成的实现。论文的具体安排如下:首先讲述了硅基光子学的发展状况和自身优势,并给出了四种可以基于楔形波导进行优化的硅基无源器件的主要结构和研究进展,它们包括硅基端面耦合器、阵列波导光栅、波导交叉和多模干涉耦合器。其次介绍了与本论文密切相关的两方面基本理论知识,一方面是光波导的理论、公式及模式分析;另一个方面介绍了 FDTD算法的理论,分析了 FDTD算法研究背景、应用及基本理论公式。然后重点分析了反向taper在减小硅基波导端面反射方面的作用,提出了3D-FDTD仿真模型和实际实验测量的模型,详细地分析了影响它减小端面反射的主要参数,包括taper的长度、尖端宽度和形状以及入射光波长。分析结果发现影响端面反射的最主要因素为taper的尖端宽度,考虑到目前光刻工艺的水平,当尖端宽度选取为150nm、200nm和250nm,反射值可以依次减小到-40dB(0.01%)、-30dB(0.1%)和-20dB(1%)。此外,凹型抛物线型的taper相对于线性和凸型抛物线型taper在减小端面反射方面效果更佳。关于taper对硅基无源器件的优化的部分是按照四个硅基光器件进行展开:(1)硅基端面耦合器SSC方面,我们给出了自己的实验测量系统,并使用模场面积的概念解释了凹型抛物线型taper更能减小模场转换过程中的损耗,SSC和减小硅基波导端面反射的taper使用这种形状效果更佳;(2)阵列波导光栅方面,我们分析了它的基本原理和主要参数,并优化了它两个连接处的taper;(3)波导交叉方面,我们详细地分析了它的两种加了 taper的结构,并给出了一个单波导交叉的仿真优化结果;(4)多模干涉耦合器方面,我们分析了它的主要参数,并给出了一个1 × 2 MMI的仿真优化结果。最后,我们总结了本论文的主要工作和要点,并对目前某些工作的不足提出了展望,为日后的工作指明了研究方向。