光互连技术特别是片上光互连的飞速发展对光子器件的集成度提出了越来越高的要求。硅基无源光子器件具有在光通信波段透明、尺寸紧凑、成本低、与CMOS工艺兼容、易与微电子器件进行光电集成等诸多优点,是目前硅基片上光互连领域的研究热点。　　 随着波分复用技术从主干网向光互连系统中延伸,作为波分复用(WDM)光网络中核心器件的阵列波导光栅(AWG),是未来硅基高速片上光互连中的关键技术。同时,随着用户接入网带宽需求的增加,光纤到户(FTTH)技术在全球得到迅速发展,采用单纤三向传输技术(Triplex)来实现这种综合业务的传输已经逐渐成为光纤到户技术发展的一个主流。器件尺寸小、易于集成、具有较好的性能和可靠性的超紧凑三向滤波器的研制势在必行。高效的硅基发光器件的实现是硅基光互连中的关键问题,如何提高Si基材料的发光效率一直是学术界关注的焦点。光子晶体(PC)以其独特的控光能力,成为目前提高Si基材料发光效率的一种重要方案。　　 本论文的主要工作是进行硅基光互连中无源光子器件的基础研究,包括:(1)硅基光互连中用于片上高度集成的基于SOI的小尺寸AWG的设计、优化和制作；(2)光纤到户中,用于集成度更高、封装成本更低的单片集成型单纤三向器(Triplexer)的超紧凑三向滤波器的设计和制作；(3)高效的硅基发光器件中,用于增强Si材料发光效率的光子晶体微腔的设计和制作。主要研究成果如下:　　 1、采用薄膜模式匹配(FMM)法模拟了波导有效折射率随波导宽度的变化关系,得出了纳米线波导的单模波导。同时,模拟了波导有效折射率和群折射率随波长的变化关系,在波导结构一定的情况下,随着波长的变长,波导的有效折射率变小,群折射率变大。　　 2、采用二维时域有限差分法(2D FDTD)模拟计算了基于SOI纳米线波导AWG传输特性与输入波导喇叭口宽度和阵列波导喇叭口宽度的变化关系。结果表明,随着输入波导喇叭口展宽,旁瓣逐渐被抑制,通道之间的串扰和中心通道插入损耗降低,但是插入损耗均匀性在逐渐变差；而随着阵列波导喇叭口展宽,耦合进入阵列波导的光能量变多,中心通道插入损耗降低,但旁瓣抑制不充分,通道间串扰增大。　　 3、立足于国内制作工艺,采用电子束曝光(EBL)和感应耦合等离子(ICP)刻蚀技术,首次制作出基于SOI纳米线波导的3×5 AWG,器件尺寸为110×100μm2。光输出谱测试分析表明,器件中心通道的片上损耗为-9dB,通道间隔为8.36-10.4nm,中心输出通道的串扰为-6 dB。　　 4、在国内,首次设计并制作了基于SOI纳米线波导AWG超紧凑三向滤波器。采用传输函数法模拟并优化了AWG结构,能很好的完成1490nm、1550nm和1310nm波长的复用/解复用功能。通过深紫外光刻和感应耦合等离子刻蚀设备,制备了器件的尺寸为70×50μm2超紧凑三向滤波器,是目前所知道的尺寸最小的三向滤波器。器件的通道间串扰为-15 dB,3 dB带宽为11.04nm,三个通道的输出波长分别为1455 nm、1510 nm和1300 nm。　　 5、采用2D FDTD法,模拟了不同计算时间长度时L3腔的谐振波长,并对腔的Q值进行了粗略计算和分析,模拟结果表明:谐振波长不随计算时间的增加而改变,模拟得到的微腔的Q值,随着模拟时间的增大而显著增大。　　 6、在国内,首次利用光子晶体微腔来提高Er/O共掺Si材料的发光效率。室温下的光荧光(PL)测试结果表明,L3腔和H5腔对Er/O共掺Si材料的发光都起到了显著的增强作用,在谐振波长分别为1305nm和1543nm处,发光效率相对原始材料提高了大约17倍和20倍。并且,实验验证了光子晶体微腔的特性:在同样的占空比,即r/a一定情况下,微腔的谐振波长随着光子晶体周期a的变大而向长波长方向移动；而在同样的光子晶体周期a下,微腔的谐振波长随着空气孔半径r的变小而向长波长方向移动。