波导布拉格光栅是集成光子学器件中的一个重要结构,具有设计灵活、结构紧凑、功能多样等优点,被广泛应用于电光调制器、色散补偿器、耦合器和半导体激光器等光器件。为了实现一些特定的功能,这些光栅一般都具有纳米尺度的相移、切趾或啁啾等。然而使用电子束刻蚀(Electron-beamlithography,EBL)制作这些具有特殊结构的光栅存在耗时长、成本高等问题。所以如何提高波导布拉格光栅的制作精度和降低制作成本,对于实现波导布拉格光栅的商业化非常重要。另外,自从Reid等人在1990年提出并将莫尔光栅(moire grating,MG)应用到D型光纤以来,由于其同时具有π相移和余弦切趾的特性,已经在光纤光栅上取得了长足的进步和发展。但是迄今为止,MG只是被制作在光纤和光致热敏折射率玻璃等光敏性材料上。究其原因,主要是双重曝光制作的均匀光栅的周期差大约只有0.1 nm,并且这种制作方法与传统的CMOS(Complementary Mental-Oxide Semiconductor)工艺不兼容。为了克服这个问题,我们提出了一种新型的波导MG结构,它是由位于波导两侧的周期具有微小差异的双波导布拉格光栅构成。这种双波导布拉格光栅结构可以在光子集成器件中实现MG效应。本论文的主要工作是通过设计双波导布拉格光栅结构来实现特定的光学性能。其中一部分工作是研究纳米压印和传统微米级光刻相结合来制作等效π相移(Equivalent π phase shift,π-EPS)光栅的工艺流程,并且通过将由交错的π-EPS光栅组成的双波导布拉格光栅制作在波导的两个侧壁,得到了具有交错光栅(Anti-symmetric sampled Bragg grating,ASBG)的四通道窄带滤波器阵列,实验证明了ASBG可以在保持+1级谐振峰不变的同时抑制0级谐振峰;另一部分工作是提出了由双波导布拉格光栅构成的波导MG和取样MG(Sampled MG,SMG)结构,并且将SMG结构应用于单模大功率半导体激光器的制作,有效提高了激光器的单模成品率和饱和功率。本文取得的主要研究成果和创新点如下:1、首次提出了将纳米压印和传统微米级光刻相结合来实现π-EPS光栅的制作方法,降低了制作成本,并实验制作得到了波导表面光栅。另外,将由交错的π-EPS光栅组成的双波导布拉格光栅制作在单模波导的两个侧壁形成ASBG结构,实验验证了含π-EPS的ASBG可以在保持取样的+1级子光栅的透射峰不变的同时抑制取样的0级子光栅的反射,并且得到了间隔为6.184 nm的四通道窄带滤波器阵列。通过改变ASBG结构中的取样光栅的周期可以实现不同的+1级透射峰,所以这种ASBG结构可以用于制作DFB半导体激光器阵列、传感器阵列和电光调制器阵列等。2、首次提出了通过在集成光子器件的波导两侧制作周期具有微小差异的双波导布拉格光栅实现MG效应。计算得到了波导MG的等效折射率调制与传统的莫尔光纤光栅结构相同,是一种具有缓变包络的快变结构。论文详细讨论了如何通过改变MG中双波导布拉格光栅的周期、初相位差或长度来改变π相移和余弦切趾特性。为了降低制造难度,首次提出了利用取样的方式来等效实现MG,即,取样莫尔光栅(sampled moire grating,SMG)。最后仿真说明了波导MG结构应用于DFB激光器时可以有效抑制空间烧孔效应(Spatial hole burning,SHB),提高出光功率。3、实验制作得到了 SMG结构的单模大功率DFB半导体激光器。与均匀取样光栅的激光器相比,单模成品率和饱和功率都得到了提高。激光器的长度和脊波导宽度分别是1.0 mm和2.0μm。当激光器的工作温度是25℃时,阈值电流和斜效率分别是30.0 mA和0.36 mW/mA。注入电流是800.0 mA时,可以实现最大183.0 mW的出光功率。并且通过改变SMG中双波导取样光栅的周期制作得到了四通道的激光器阵列。SMG结构的单模大功率DFB半导体激光器及其阵列制作成本低,对于大规模光子集成及其商业化非常有益。