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光波作为信息的载体,在信息的传输、显示、存储及检测等应用领域发挥着越来越重要的作用,特别是近几年迅速发展起来的光通信技术,大大的推动了光器件的研究。本文以设计出插入损耗低、输出光场或频谱分布理想的新型光波导器件为目标,在理论上提出了一些模拟计算及优化设计的新方法的基础上,设计了四种新型的平面波导耦合器及基于耦合器的光器件,并进行了相关的实验。 首先研究了光器件的模拟与设计方法:(1)提出了基于广角有限差分光束传输法(FD-BPM)的完美匹配层(PML)边界条件,提高了数值模拟的精度;并建立了平面光波导器件的模拟计算平台。(2)对于大规模光器件,首次将传输矩阵法与数字信号处理(DSP)设计相结合的光滤波器设计思想,引入到阵列波导光栅(AWG)和光纤光栅(FBG)的设计中,并建立了它们的DSP模型。 其次进行了平面波导耦合器的设计和实验研究。在功分器方面:(1)对玻璃基1×8树形功分器进行了研制,并得到了初步的实验结果。(2)为了提高玻璃基多模干涉(MMI)耦合器的性能,提出了基于三维精确模式分析法(3D-EMA)的优化设计方法。设计出的玻璃基MMI功分器的均匀性显著提高,同时插入损耗降低。(3)提出了N×N平面波导星形耦合器的一些新的设计思想和优化方法,并设计出了一种新型的17×17星形耦合器,其均匀性提高到了0.17dB。在传感器方面:(1)提出了一种基于双模干涉(TMI)耦合器的平面波导型传感器,并通过对其结构的优化,将其响应的线性误差降低到了0.01。(2)进行了硅基二氧化硅传感器的实验制作和测试,得到了一些阶段性的实验结果。 接着在基于耦合器的新型光器件的研究中,利用了传输矩阵和DSP相结合的方法,并首次将遗传算法及混合梯度遗传算法等优化方法引入到级联Mach-Zehnder干涉仪型滤波器的设计中。设计出了频谱响应与理想频谱相当接近的对称/非对称分叉复用器(Interleaver)以及EDFA增益平坦滤波器。 最后研究了基于MMI耦合器的波分复用/解复用器:(1)提出了一种新的设计方法,即从有限脉冲响应(FIR)滤波器的角度对波分复用/解复用器的频谱作整体的分析和设计,从而使频谱更容易得到控制。(2)在此基础上,首次通过连接级联高阶MMI滤波器以及添加前置M-Z干涉仪滤波器的方法,设计出了一种