随着硅基光电子技术的不断发展,硅基器件的集成度越来越高,将不同功能的独立器件集成在一个小的芯片中。通过光纤将光信号耦合进芯片,实现功分器、调相器等功能,并且被应用在诸多领域。只是使用光纤导入光信号时,无法保证偏振态,而硅基器件本身对偏振敏感,直接用光纤将光信号导入硅基器件会对其性能造成很大影响。偏振分集是近几年解决这一问题的有效手段,将不同偏振态分离,根据需求分别进行处理甚至相互转换。其中,偏振分束器和偏振旋转器是实现偏振分集的主要功能器件。尽管目前为止,已经有很多方案被提出以实现偏振分束和偏振旋转,但是依然很难同时实现高消光比,大带宽的高性能偏振器件。本论文从基础的物理原理出发,探索具有可行性的偏振器件的设计方案,解决消光比、带宽和尺寸相互限制的问题,主要通过理论分析和仿真,提出新型的偏振分束器和偏振旋转器的设计方案。主要研究内容及创新工作如下:1.提出了一种基于凹槽定向耦合器的偏振分束器,其基本原理是横向耦合模理论,利用在耦合波导中深刻蚀形成凹槽,使得定向耦合器的输入波导与耦合波导对于TM0模式的有效折射率相等,满足完全耦合条件,并且抑制TE0模式耦合。首先分析了波导中引入凹槽对于波导中模式的影响。然后,通过仿真分析了两种含有凹槽的偏振分束器的方案,对比了消光比和带宽性能。在此基础上设计了 taper结构,成功提升了器件性能。最终,整个器件实现了TM模式的消光比在1.5-1.6μm的波长范围内超过24.6dB;TE模式的消光比在1.521-1.584μm的波长范围内达到20dB以上,20dB带宽达到63nm,尤其在1.552μm处TE模式的消光比可以达到37.4dB,总长度只有16μm。最后通过仿真对该器件进行容差分析。该方案有效的缓解了基于定向耦合器的PBS中大带宽与高消光比无法同时满足的问题,并且该设计方案尺寸小,容差较大,易于实际中的制作和片上的集成。2.提出了一种全新的基于TMo->TE1模式转换器的偏振旋转器。其基本原理是对于TM0模式输入,通过模式转换器将TM0模式转化成TE1模式,之后通过Y型结构进行分光、相移器调节兀相位、再由Y型结构合束,输出TE0模式;对于TE0模式,通过Y型结构进行分光、相移器调节π相位、再由Y型结构合束成TE1模式,再经过模式转换器转换成TM0模式。我们分别分析并设计了基于模式转换器的PR的关键单元器件:TMo->TE1模式转换器、Y型结构,相移器。绕后将模式转换器、Y型结构、蝶型相移器组合,最终得到PR的整体结构参数。最终整个器件实现了在整个1.45-1.65μm的波长范围内,不论输入TE0或是TM0模式,消光比都达到20dB以上,在1.55μm附近更超过了 40dB,整个器件总长度只有30μm。最后通过仿真对该器件做了简要的容差分析。该方案不仅解决了以往方案中难以实现同时大带宽、高消光比的问题,更重要的是同时实现TE0->TMo和TM0->TEo的偏振旋转,使得片上对光的偏振态的调整更加灵活。