近年来,互联网通信带来的数据流量急剧增长,同时对信息传输和数据带宽的要求不断提高,光通信技术因其通信容量大、传输损耗低等显著性优势成为当今社会的主流信息传输方式。在此基础上发展起来的硅基光电子集成技术是将来高速光通信、数据中心互连以及传感技术的一种高效片上光学解决方案。基于渐变折射率的集成光波导器件的研究是新的研究方向,因其特殊的折射率分布形式,可以用来设计小体积、高性能的器件,为硅基光电子集成向“微型化”“轻型化”提供了新的思路。本论文从几何光学的射线分析法角度出发,理论分析了光在渐变折射率光波导中的传播。总结提出聚焦常数是影响波导自聚焦周期的关键参数。利用数值仿真软件,仿真验证了聚焦周期与渐变折射率差值以及波导芯层尺寸之间的关系。并且以多模干涉理论为基础,详细分析了自聚焦和自映像效应的区别与联系,并详细推导了自聚焦周期与波导参数之间的关系。深入分析了不同的折射率分布形式对聚焦周期和聚焦光斑质量的影响。并首次提出聚焦光斑的质量不仅和渐变折射率基模的场分布有关,还和各阶模式的能量占比有关,为基于渐变折射率分布的器件设计提供了新的理论支持。结合理论分析,以平方律分布形式的波导为基础,并综合工艺参数的要求,提出了一种基于渐变折射率波导自聚焦效应的新型模斑变换器。该模斑变换器的输入波导宽度为12μm,输出波导的宽度为0.5μm,传输效率可达97.8%。同时针对聚焦光斑和单模波导间的模场失配问题,优化了线性锥形过渡波导,在带宽不变的情况下该器件的总长度只需19.3μm,是现有报道的模斑变换器最小尺寸的1/6,可进一步提高硅基光电集成芯片的集成度,并为其他器件和系统的设计优化提供了新思路。本论文的研究重点是渐变折射率波导的自聚焦效应,并在此基础上设计了新型模斑变换器。这为小体积、高性能的集成光电器件的设计提供了新的思路,为大规模光电集成打下坚实的基础。