光器件是实现高速、智能光网络的一项决定性因素。全光信号处理与光子集成是光器件未来发展的方向。全光信号处理可以克服电信号处理在速率和带宽上的局限性,而光子集成可以减小器件的尺寸和能耗、节约成本并提高系统的可靠性。在成熟的集成电路工艺促进下,硅材料已日益成为光子集成的主流平台。参量波长转换器和全光时域微分器是两类重要的全光信号处理器件。基于绝缘体上硅(SOI)平台,本文对这两种光器件的若干前沿技术进行了研究：为了提高波长转换效率,研究了准相位匹配(QPM)技术,提出了新的实现方案；对基于微环谐振腔的分数阶全光时域微分器,改善了其理论模型并优化了设计。本文的具体研究内容和创新成果如下：(一)硅基参量波长转换的研究(1)提出了基于微环相移器的QPM参量波长转换方案,减轻了相位失配对波长转换效率的限制作用,增加了选择波导尺寸和泵浦波长的自由度。首先,将过耦合的全通型微环谐振腔作为相移器,通过抑制波导中的参量衰减过程,有效地提高了波长转换效率。其次,研究了各种参数的影响,指出增强微环的耦合、增加波导长度和相移器的数目、以及合理选择泵浦功率等有利于转换效率的提升,而各种非线性损耗则会产生不利的影响。最后,利用微环相移器可以改善转换效率谱局部的平坦度。经仿真验证,通过合理选择参数,在10 nm的波长范围内得到了平坦的转换效率谱。(2)提出了基于光栅的QPM参量波长转换方案,在不使用色散调节的情况下,也能够实现高效、宽带的参量波长转换。首先,通过适当设计光栅的周期和占空比,可以在指定的信号波长处实现QPM。其次,通过在光栅中交替地改变相位失配的正负,显著地提高了波长转换效率。此外,增加波导长度有利于转换效率的提升；而通过减小转换带宽对波导长度的敏感性,本方案减弱了转换效率和转换带宽的相互制约关系。通过仿真,使用波长为1550 nm的连续光泵浦,在长度为1.5 cm且相位失配严重的光栅中,实现了-12.8 dB的峰值转换效率和331 nm的转换带宽。(二)集成全光时域微分器的研究(1)建立了一种比较完善的分数阶微环微分器理论模型。首先,考虑了时间反转特性,亦即欠耦合和过耦合的微环微分器需要使用在时间上反转的理想微分器进行建模。其次,考虑了时延特性,对于不同的微分阶数,输出的时延也不同。此外,通过在建模过程中考虑输入脉冲的频带宽度,该模型解释了输入脉冲宽度对微分阶数的影响。虽然传统上使用过耦合的微环微分器实现1到2之间的微分阶数,然而,该模型证明,如果将其作为阶数小于1的分数微分器进行建模,则可以获得更小的偏差。这说明,微环微分器的响应特性更适合实现阶数小于或等于1的时域微分。(2)研究了影响微环微分器输出偏差的因素。首先,当载波失谐时,在输出波形凹陷部分的偏差会增大。其次,微分器的阶数受输入脉冲宽度的影响,微环的相频响应在其中发挥了重要的作用。此外,当微分器带宽不足时,对于阶数较小的微分器,减小输入脉冲的宽度可以降低输出偏差；而对于阶数大于1的微分器,效果则相反。最后,当载波波长处的相频响应斜率减小时,在输出波形中较小峰的峰值将会出现偏差；如果斜率继续减小,则较小峰的位置也会发生显著改变。(3)提出了基于微环内逆喇曼散射(IRS)效应的可调分数阶微分器方案。首先,利用IRS效应,通过泵浦光的功率调节谐振腔的损耗系数,从而控制谐振腔的耦合状态,实现了微分阶数的连续可调。其次,利用谐振腔的场增强效应,增强了环内的泵浦光强和IRS效应,减小了泵浦光所需的输入功率。最后,利用硅材料中IRS的窄带衰减特性,在多泵浦条件下,可以在不同的谐振波长上分别实现不同的微分阶数,从而增加了微环微分器应用的灵活性。通过仿真,对于半高宽为50 ps的高斯脉冲,在泵浦功率由60 mW增加到95 mW的过程中,实现了微分阶数自1.6到0.3的连续调节,同时保持了小于5%的输出偏差。