硅光技术凭借其CMOS兼容性和高集成度等突出优势，被认为是最具发展潜力的新一代光子集成主流技术，在全球范围内受到极大关注。近年来，无源/有源硅光器件及其集成芯片研究均取得了重要进展。而随着光通信、光互连、光传感、光测量及光计算等新兴领域的飞速发展，硅光技术迎来了更为广阔的应用空间。与此同时，硅光器件及芯片也面临着更高性能、更高密度和更大规模等重要挑战。本文聚焦于面向波分复用、偏振复用、模式复用及混合复用等应用的高性能无源硅光波导器件，重点阐述了其性能突破及功能拓展，并探讨了硅光波导器件的发展前景。

针对硅基光学相控阵芯片输出的光束质量受波导刻蚀和键合过程中相位噪声的影响,基于随机并行梯度下降算法以高速单点光电探测器为性能评价函数采集器研制相位控制器,构建一维64阵元硅基光学相控阵芯片光束优化的原理实验系统,实现硅基光学相控阵芯片的快速相位噪声补偿。接着研究相位控制器性能与硅基光学相控阵芯片响应特性匹配关系对光束优化效果的影响,初始光场强度对随机并行梯度下降算法收敛时间的影响,以及环境温度对相位噪声补偿效果的影响。实验结果表明,系统完成单个角度的光束优化时间为0.26 s,优化后的光束各项指标与器件设计吻合。

为了实现大角度的光束扫描,提出一种基于混合蝙蝠算法的非均匀间隔光学相控阵来对栅瓣进行压缩。将遗传算法的算子与传统蝙蝠算法相结合,在相邻阵元最小间隔为2 μm,工作波长为1550 nm的情况下,优化得到的硅基64阵元一维非均匀间隔光学相控阵实现了80°的扫描范围,边模抑制比优于-8 dB,最大远场光束发散角为0.3°,并且讨论了优化结果对波长变化的不敏感性。最后,以8×8的二维矩形平面阵列为例,演示了二维非均匀间隔光学相控阵的优化方法。

激光雷达可以高精度、高准确度地获取目标的距离、速度等信息或者实现目标成像，在测绘、导航等领域具有重要作用。本文首先介绍了从机械式向全固态过渡的微机械系统激光雷达解决方案；其次针对激光雷达全固态的发展需求，介绍了面阵闪光、相控阵激光雷达的基本原理和典型实现方法，从液晶、光波导材料等研究方向阐述相控阵激光雷达研究现状；最后总结了目前激光雷达存在的问题及不同的解决方案，并对未来发展趋势进行了展望。

利用有限元方法和时域有限差分方法,优化设计了一种结构紧凑的基于绝缘体上硅脊型纳米线光波导方向耦合器的TE/TM 偏振分束器。考虑到方向耦合器的波导间隙较小时制作工艺较为困难,且模式失配会引入一些损耗,因此波导间隙取约100 nm 较为合适。通过优化脊型纳米线光波导的几何尺寸(脊高和脊宽)、耦合区波导间隙,使得偏振分束器长度最短。数值计算结果表明经过优化的偏振分束器最短长度大约为17.3 μm,偏振分束器的消光比大于15 dB 时,波导宽度制作容差为－20～10 nm,带宽约为50 nm。

波导表面粗糙度引起的散射损耗是SiO2光波导传输损耗的主要来源,通过降低表面粗糙度可以获得低损耗SiO2光波导.通过优化ICP干法刻蚀工艺的各参数(如温度、压强、气体流量、感应/偏置功率等)获得了低粗糙度的SiO2光波导,并采用SEM和AFM对刻蚀表面粗糙度进行了定量测试.采用优化刻蚀工艺可将表面粗糙度从35.4nm降低到3.6nm,波导传输损耗约为0.1dB/cm.

利用有限差分方法(FDM)对大横截面SOI(Silicon-on-insulator)脊型光波导的本征模进行了计算分析,从而确定了SOI脊型波导的单模条件,即归一化外脊高和归一化脊宽的关系.通过比较,进一步明确了归一化外脊高大于0.5时现有的单模条件解析公式中常数项的取值为0.3.同时,还对归一化外脊高小于0.5时的单模条件也做了计算和讨论.

提出了一种新的等效折射率方法，可以将光波导的两维折射率分布精确等效成一维折射率分布。从波动方程出发，通过严格的数学推导，得到了一维等效折射率分布的表达式。该等效折射率分布由二维光波导的模场分布和折射率分布决定。在此等效过程中，几乎无任何近似，因此具有比传统等效折射率方法(EIM)更高的精度，而且不受波导截止条件的限制，并适用于任意的折射率分布结构。以SOI(silicon-on-insulator)脊型光波导为例，给出新方法的一个具体等效实施过程，比较了新方法与传统等效折射率方法计算得到的等效模场分布及等效折射率，结果显示本文方法的有更高的计算精度。最后，文中给出了一个利用这种等效方法计算弯曲波导损耗的例子。新方法可以使对三维结构(截面为任意折射率分布)的模拟简化成二维模拟。