随着人们对信息容量、速度以及成本的迫切要求,硅基集成光电子芯片凭借高集成度、低成本,与现有CMOS工艺兼容等诸多优势,成为了光通信和光互连等领域的研究热点和非常有前景的关键技术。布拉格光栅是一种非常重要的光学器件,在光纤通信与光子信息处理领域有着广泛和重要的作用。因此,在硅基光电子芯片上实现波导布拉格光栅具有重要的学术研究价值和在集成光电子领域中的应用价值,成为了近年来的研究热点之一。由于SOI材料具备高折射率差的特点,硅基波导布拉格光栅结构更加紧凑,因此具备许多不同于光纤光栅的特征和用途。近年来众多学者对硅基波导布拉格光栅的基本特性进行了广泛而深入的研究,并成功地将硅基波导布拉格光栅应用于光学滤波、光延迟、波分复用、偏振分束和传感等多个领域,硅基波导布拉格光栅成为了集成光电子芯片中不可或缺的组成部分。但目前硅基波导光栅的发展仍面临多种问题,因此对硅基波导布格拉光栅的研究是一项有意义且富有挑战性的课题;另外硅基光电子芯片应用需求的多样性要求进一步挖掘硅基波导布拉格光栅的新功能。本论文对硅基波导布拉格光栅的理论、加工和测试进行了一系列的研究,特别针对目前硅基波导布拉格光栅存在的问题提出了相应的改进方案,并利用硅基波导光栅实现了新的功能。本文的主要内容包括:首先,本文介绍了硅基波导布拉格光栅的基本原理、重要参数和仿真分析方法。利用耦合模理论对硅基波导光栅的工作机理进行了详细的阐述。在此基础上,推导了均匀布拉格光栅的透射率、反射率、耦合系数、布拉格波长和禁带宽度等参数的解析式。介绍了三种非均匀波导光栅的仿真计算方法以及各自的优缺点,为后续的硅基波导光栅设计和实验分析提供了必要的理论依据和指导方法。接着,本文研究了一种将硅基波导光栅嵌入迈克尔逊干涉仪的结构,该结构可以无需光环行器,直接提取光栅的反射信号。详细阐述了该结构的工作原理,并与现有提取光栅反射信号的结构进行了对比。介绍了啁啾波导光栅的工作原理,并对啁啾波导光栅进行了仿真分析和优化设计。在啁啾波导光栅设计加工中,采用高度为220nm的宽波导结构来实现窄带滤波器并降低光栅性能受宽度噪声的影响。宽波导结构支持高阶模式。为此,在波导光栅的输入输出端口,本文采用锥形结构来抑制宽波导光栅中高阶模式的产生,并通过光栅的二阶反射来增加光栅周期,使得硅基波导光栅满足248nm深紫外光刻加工工艺的要求。将优化设计好的啁啾波导光栅嵌入到迈克尔逊干涉仪两臂,进行了实验加工和测试。实验结果表明,该结构实现的带通滤波器带宽为0.4 nm,消光比为15dB;该啁啾波导光栅能够用作光延迟线,可调延迟量为60ps。基于相同的结构,本文提出了一种通道间隔可调的梳状滤波器,通过调节迈克尔逊干涉仪一臂上的线性啁啾光栅,能够实现梳状滤波器通道间隔的连续可调。本文对该结构进行了理论分析和建模仿真。器件的有源调节是基于热光效应原理。为了实现该效应,本文在课题组已有的工作基础上,仿真设计了一种波导型热电阻,并计算了该结构的热光调节效率和载流子吸收效应引入的损耗。将上述仿真结果代入可调梳状滤波器结构的理论模型中,分析了可调梳状滤波器的有源调节性能。仿真结果表明梳状滤波器的通道间隔能够实现8.21nm到0.19nm的连续可调,相应的通道数目从1增加到65,消光比大于30dB。本文利用光栅切趾技术对可调梳状滤波器的性能进行了优化。该结构是硅基光电子芯片上提出的第一个通道间隔连续可调的梳状滤波器。由于220nm高硅基波导光栅通常需要采用多模波导来实现窄带光栅滤波器,但多模波导光栅容易激发高阶模式,恶化器件性能;另外波导高度为220nm的一阶光栅周期小,为了满足248nm深紫外光刻加工工艺的要求,需要采用高阶反射来增加光栅周期,高阶和一阶光栅的耦合系数存在很大不同,但目前许多实际应用的光栅器件的设计都针对一阶光栅。针对上述缺点,本文提出了一种基于60nm超薄型波导结构来实现硅基波导光栅。理论分析了超薄型波导加工硅基波导光栅的特性。仿真结果表明,超薄型硅波导具备对光能量束缚能力弱、单模条件下波导宽度大等特点,相比于220nm高条形单模波导光栅,60nm高硅基条形单模波导易于实现小耦合系数的波导光栅,且波导光栅受宽度噪声影响小,适用于248nm深紫外光刻加工工艺,成本更低。本文对60nm高直波导、弯曲波导、多模干涉仪和马赫增德尔干涉仪等一系列硅基光电子器件进行了仿真设计和实验研究。实验结果表明,60nm高波导的损耗仅为0.61dB/cm,相比于同批次流片加工的220nm高脊型波导,损耗差不多降低到了原来的1/5。完成了对60nm高硅基波导光栅的加工与测试。硅基波导光栅最大的消光比为50dB,最小带宽为0.67nm。利用集成热电阻对硅基波导光栅器件进行热光调节。论文还实验研究了光栅长度、耦合系数以及切趾设计对光栅性能的影响。通过调节相移,对波导光栅的延迟特性进行了研究,并实现了可调范围为49ps的光延迟线。针对硅基波导光栅性能易受波导高度波动而恶化的问题,本文研究了一种新型的螺旋形波导光栅结构,该结构使硅基波导光栅更加紧凑,能降低芯片高度波动对光栅性能的影响。分析了螺旋形波导各参数对光栅性能的影响,重点研究了弯曲半径对螺旋形波导折射率、模式失配损耗和堆积效率的影响。对螺旋形波导的光栅结构和有源调节结构进行了仿真分析和优化设计。给出了60nm高超薄型均匀螺旋形波导光栅的测试结果。受螺旋形波导中心模式失配的影响,光栅禁带中会出现一个极细的透射峰,透射峰的品质因达到了~10~5。为了对实验结果进行深入的分析,本文利用劳尔德法建立了理论模型对实验结果进行拟合。对硅基螺旋形波导光栅的热调特性进行了深入的研究。实验结果表明,禁带中透射峰会随S型波导上方的加载功率周期性地移动。论文对不同弯曲半径的螺旋形波导光栅的透射谱线进行了对比分析,结合建立的理论模型重点研究了弯曲半径对透射峰品质因子的影响。理论分析了光栅耦合系数对螺旋形波导光栅传输性能的影响,并进行了实验验证。最后,对本论文的所有工作进行了总结,并对60nm超薄型波导的应用和未来硅基波导光栅的研究工作进行了展望。