信息化的时代,世界上每天都在产生海量的数据,这些信息数据需要高效、快捷的处理,便需要高性能的计算系统,也就对互连技术提出了很高的要求。传统的电互连技术芯片,其性能的提升依赖于减小导线特征尺寸来实现高密度集成。然而此技术正逐渐遇到瓶颈、无以为继,用光取代电来实现集成芯片已经成为公认的有效解决方案,尤其是基于硅基材料的光互连芯片。由于硅折射率远高于石英材料,可以进一步降低器件尺寸。但是硅基光子集成器件的高折射率差波导结构,提高集成度的同时也带来了偏振敏感性的问题;另外,将不同功能的光子器件分布在不同层中,既有利于光路的设计、信号的处理,也可以进一步提高了器件的集成度和减少光纤使用,因此不同层间的互连传输也成为未来的发展方向。为了解决上述的问题,我们创新性地提出了光栅波导偏振滤波器和层间均等耦合器。本文主要的研究内容如下:(1)介绍了硅基光子学的发展,对各种偏振处理器件的原理和性能进行了讨论,并阐述了不同层间光互连技术的研究进展。(2)对器件设计过程中涉及到的光栅理论、平板波导理论和数值计算方法进行了简介。(3)提出了基于光栅结构的波导型偏振滤波器。利用亚波长光栅衍射耦合机制,实现了特定偏振光不同模式之间的转换,使其由向前传输模式转换成背向传输模式,而另一正交偏振光的传输模式不受影响直接透射,实现偏振滤波。其中,光栅结构区主要有两个作用:具有多个波导模式;光栅形成了布拉格反射器反射特定偏振光。文中对该器件的原理和设计过程中各参数的设定进行了详细讨论。本器件具有宽带宽、高消光比、低插损、大构造容差等优秀特性,使得光子集成芯片的实际应用更进一步。(4)提出了基于光栅结构的波导型层间均等耦合器。利用光栅衍射耦合原理和光学共振腔原理,实现了宽波段的向上和向下均等衍射耦合。通过设计光栅高度实现不同波长的光在不同的位置衍射输出,还通过光栅占空比的调节降低了器件的反射率。文中对该器件设计过程中的各参数设定进行了详细讨论。该器件具有宽带宽、低插损、向上和向下衍射效率可控的特性,为三维层间光互连的灵活组网提供了思路。