近年来,由于具有高折射率差和兼容成熟的CMOS制造工艺等特点,基于绝缘体上硅(SOI)平台的光子集成回路(PIC)受到广泛关注。另一方面,SOI光子器件一般对光的偏振态敏感,使得不同偏振态在其中产生不一致的传输特性,严重影响器件甚至系统性能。因此,能消除偏振态影响的紧凑型偏振分束/旋转器件在PIC中有着重要作用。硅基槽式纳米线能够将光场限制在低折射率的槽区,且双折射效应明显,能够突破衍射极限,为设计新颖的硅基光子器件提供了新思路。本论文以硅基槽式纳米线为基础,提出并设计数种尺寸小、消光比高、插入损耗低的偏振分束/旋转器件,给出了各器件的工作原理,最优结构参数及其制作容差。这些器件将在硅基PIC中具有巨大应用潜力。第一章,简要综述了硅基光子集成回路的发展,介绍了硅基槽式纳米线的结构、原理以及应用,并系统总结了两种常见的偏振控制器件偏振分束器和偏振旋转器的研究进展。第二章,首先介绍了几种常用的硅基光子器件的模式求解和传输分析方法,评估了它们的优缺点及适用场合;接着提出了一种改进型的多域伪谱模式求解法,适合求解具有曲线介质边界的弯曲波导的模式。应用该方法,分别分析了直脊波导、弯曲脊波导和弯曲阶跃光纤的全矢量模式特性,来验证本方法对直波导、弯曲波导和具有曲线边界的弯曲波导的适用性。数值结果表明,本方法收敛速度快、计算效率与精度高。第三章,利用垂直槽式纳米线,设计和分析了两种基于不对称定向耦合器(DC)的偏振分束器。通过优化设计参数,在这两种器件中分别实现了对两个正交偏振态的有效分离。高双折射槽式纳米线的引入使得两种器件都具有极其紧凑的尺寸。基于两波导DC的偏振分束器的耦合区长度为20.5μm,串扰低于-23.3dB。基于三波导DC的偏振分束器的耦合区长度仅为7.6μm,串扰低于-31dB。此外,两个器件都具有较小的插入损耗和大工作带宽。对于槽式纳米线和硅线波导的耦合问题,设计了一个绝热变化的模场转换器,能够高效地将槽式纳米线的模式转换为硅线波导的模式。第四章,利用水平槽式纳米线,设计和分析了两种基于多模干涉(MMI)耦合器的偏振分束器。针对MMI型偏振分束器的器件尺寸普遍较大的问题,采用高双折射的水平槽式纳米线能够增大两个偏振态的自镜像长度差,从而缩短器件尺寸。而抛物线形宽度渐变的MMI段和限制干涉机理的采用进一步减小了器件长度。数值结果显示,器件的干涉区长度为23.4μm,偏振消光比大于22.3dB,插入损耗小于0.58dB。针对MMI型偏振分束器消光比不足的问题,又提出了一种级联的MMI耦合器结构,使两个偏振分别在各自的自镜像长度处输出,因此都能获得很高的消光比。数值结果显示,器件的工作区长度为42μm,偏振消光比大于29.8dB,插入损耗小于0.70dB。第五章,首先研究了十字槽式纳米线的模式特性,计算了其折射率和槽区域的光功率限制与结构参数的关系。接着设计了一个适用于十字槽式纳米线的偏振旋转器,能够实现几乎100%的偏振旋转。该器件的旋转区长度仅有18.9μm,消光比大于31.6dB,插入损耗在整个C波段都低于0.38dB。偏振旋转器具有高达230nm的工作带宽,远高于同类器件的水平。第六章,总结本文的工作内容并给出了未来的研究方向。