摩尔定律的提出距今已有半个世纪的历史,在这段时间内,集成电路的发展速度一直遵循这个理论,然而随着集成度越来越高,器件尺寸越来越小,逐渐逼近材料的物理极限,集成电路的发展面临瓶颈。人们开始寻找新的发展方向,这时无电荷、高传播速度的光子调控获得了广泛青睐。由于硅是一种重要的半导体材料,在电子集成中已经有很成熟的硅加工工艺,为硅基光子学的发展提供了重要的条件。硅是一个间接带隙的半导体材料,发光效率很低,所以大多数硅基光子器件的设计都是一些无源器件的设计,硅波导、光栅、滤波器、调制器等器件的发展为硅基光子集成中的高效传输与转换提供了重要保障,在这些器件的基础上,通过一些新的构造与改良,能够根据实际情况需求实现一些特殊功能。本文基于此,设计了一些基于周期性结构的硅基光场调控器件。(1)基于超表面的偏振控制光学镜面。不同形状的微纳结构的周期性分布构成了各种各样的超表面,在超表面理论中,每个微纳结构单元对周围的局域电磁场都会有一个响应,物理上表示为电偶极矩与磁偶极矩,在宏观上用等效电流源与等效磁流源表示整个超表面对入射场的响应情况,这两个量在超表面处形成一个表面电磁场,这样超表面对入射电磁场的作用就简化为这个表面电磁场的分布与入射电磁场的分布的匹配问题。通过对超表面结构的设计可以改变反射后的电磁场的振幅情况,能够实现高效的反射或者高效的吸收。超表面对电磁场的调制作用除了表现在振幅的改变上还能实现对相位的改变,能够实现±π的全方位调控,这样我们设计了一种超表面结构能够实现对相位和振幅的同时调控,在满足相位改变量的条件下同时保证了 x方向与y方向上的场强保持一致,这样一束左旋光经过这个超表面镜面反射后依然是一个左旋光,而且反射效率很高。(2)垂直耦合光栅。光栅是实现光耦合的重要器件,传统的矩形光栅很难实现垂直耦合,而闪耀光栅能够高效的垂直耦合,本文设计了一种双层的矩形光栅,通过上下两层光栅发生衍射时相位差的控制实现高效的垂直耦合,达到了类似于闪耀光栅的作用,这种光栅的设计原理是在硅波导上刻蚀不同孔径的孔,由于刻蚀孔径不同时的刻蚀速率也会不同,就可以制造出不同有效折射率的双层光栅,相比较于其他的双层光栅结构,这种垂直耦合光栅更容易在工艺上实现。(3)瞬态载流子光栅技术。硅的折射率受载流子浓度的影响会发生变化,基于这个原理本文提出了一种瞬态载流子光栅技术用于光子集成芯片的信号测量。硅的带隙是1.12eV,选取能够吸收的850nm光源,两束光在硅表面形成干涉条纹,这样硅吸收后产生的载流子浓度在空间上会有不同分布,形成了一个短暂的载流子光栅,利用这个载流子光栅将波导中的信号光引出,这一方法的特点是简单灵活,产生光栅的位置任意,对结构无破坏。