相变材料是一种能够极为快速地发生可逆的相转变,并经由相变时原子排列的变化展现出巨大光学/电学性能差异的材料。相变材料自被发现以来,受到世界各国学术界和工业界的广泛重视和研究,至今已有许多相变材料实现了商业化。硫系化合物非易失性相变材料因其相变前后的原子排列具有记忆性而被用作光盘的信息存储介质。光盘存储技术的巨大成功催生了对相变存储器的广泛研究,但直到电子集成技术成熟,相变存储器的研究才真正进入了高速发展的阶段,它被认为有望成为下一代存储器,目前已开始有产品在市销售。非易失相变材料因其独特的性质和性能,有着极为重要的意义。随着光子集成技术的发展和光子计算机等概念的提出,集成的全光开关/存储器作为其基础器件逐渐开始被研究。然而,当人们尝试将相变材料集成于光路中时,却发现在最重要的1550 nm光通信波段,现有的相变材料都有着极大的光损耗,这会严重削弱器件对相变材料特性的利用,也会降低集成光芯片的性能。本文意在寻找一种适用于光通信波段的光学相变材料,使其非晶态在1550 nm通信波段透明,且在相变前后有足够大的光学常数反差。考虑到目前研究和使用最广泛的一种光学相变材料Ge₂Sb₂Te₅具有快速相变、巨大的光学反差和稳定性高等一系列优异的性质,本文从经典的相变材料Ge₂Sb₂Te₅出发,走进Ge-Sb-Se-Te体系,研究了其性能和在光器件中的应用。论文主要内容如下:首先,制备了Ge₂Sb₂Se_xTe_（5-x）（x=0,1,2,3,4,5）系列薄膜,并研究了其结晶性能和光学性能。利用X射线衍射技术对Ge₂Sb₂Se_xTe_（5-x）在不同温度下的相演变进行了表征,研究了Se的加入对材料的晶化温度、非晶稳定性的影响。利用椭偏仪技术研究了Se组分对材料折射率和消光系数的影响,并分析了各组分材料在非晶态、晶态的光学性能,及相变前后光学常数差异的变化。经过对材料各方面性能的综合考量和平衡,认为Ge₂Sb₂Se₄Te₁有望成为满足要求的光学相变材料。本文利用透射电子显微镜进行选区电子衍射测试,研究了材料的晶相结构,认为晶态Ge₂Sb₂Se₄Te₁具有六方结构。之后,本文在波导中进一步将Ge₂Sb₂Se₄Te₁在1550 nm波长处的损耗上限测定为705 dB/cm,材料消光系数小于0.002,其光学相变材料的优度值是经典相变材料Ge₂Sb₂Te₅的22倍以上。Ge₂Sb₂Se₄Te₁作为首个在通信波段（非晶态）透明的光学相变材料被提出。为验证Ge₂Sb₂Se₄Te₁在集成光器件中的实际效果,本文设计和制备了环形谐振腔式的Ge₂Sb₂Se₄Te₁集成光开关,在1550 nm通信波段实现了41 dB的消光比和0.15 dB的插入损耗,远优于目前工艺水平下最好的相变材料集成光开关。这证实了Ge₂Sb₂Se₄Te₁在光器件中低损耗、大对比率的优秀表现和显著优势。最后,本文探索了光学相变材料在非传统应用中的可能。提出了将相变可调谐宽波段滤光片应用于高通量、非机械扫描式的红外多光谱成像系统中,设计了基于Ge₂Sb₂Se₄Te₁的可调谐宽波段滤光片并对其在短波红外的工作效果进行了前期仿真验证,利用奇异值分解优化了传输矩阵法计算的滤光片透过率矩阵,并分析了系统中的噪声源对信号重建的影响。这不仅提出了进一步利用光学相变材料完全非晶态和完全晶态之间的混合状态及其宽波段操作特点的潜在可能性,同时也为去除现有的红外多光谱成像系统中窄带滤光片的限制提供了新的思路。