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随着全球互联网的快速发展,人们对通信的传输容量和传输速率的需求越来越高,波分复用(WDM)技术是目前扩展光通信网络带宽的关键技术。阵列波导光栅(AWG)作为典型的波分复用器件,具有结构紧凑、易与半导体激光器等有源器件结合实现单片集成等优势,在WDM系统中具有广泛的应用。本论文对阵列波导光栅的设计及其应用进行了深入的研究,主要工作内容可概括如下:(1)介绍和研究了光波导理论和数值计算方法。对AWG器件的工作原理、主要性能指标、理论模型以及设计流程进行了分析,为后续的设计和性能改善提供了依据。(2)为了减小器件尺寸、提高集成度,提出了基于多模干涉反射器的硅基反射型AWG设计方案。分析了多模干涉反射器的工作原理,通过优化结构参数,设计了插入损耗仅为0.23d B的反射器。通过在阵列波导末端引入优化后的多模干涉反射器实现反射型AWG,可以有效地减小器件尺寸便于集成。在此基础上,实验制作了1×7信道的硅基反射型AWG,验证了设计方案的可行性。相比于同一工艺条件下制作的常规型AWG,相邻通道串扰从-7.5 d B~-8.9 d B降低至-9.6 d B~-12.9 d B。(3)提出了基于环形波导的硅基反射型AWG设计方案。通过在相邻两根阵列波导末端引入环形波导实现反射型AWG,理论上可将器件的通道响应带宽增大至两倍。完成了器件的工艺制作和测试,实现了通道响应带宽增加的反射型AWG。相比于常规型AWG,光谱响应的3d B带宽从0.6nm增大至1.13 nm。(4)为了实现AWG与激光器的单片集成,研究了In P基AWG器件的设计。研究了In P基光波导的单模条件、弯曲特性以及直波导与弯曲波导的连接结构。设计并实验制作了4×4信道的AWG器件,为后续In P基激光器/AWG单片集成芯片的制作奠定了基础。此外,为了提高对激光器输入波长漂移的允差,研究了AWG光谱响应平坦化的设计方案,通过在输入波导处引入多模干涉耦合器结构,理论上将AWG器件的3d B带宽增大至2.06nm(约86%信道间隔)。