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可重构上下路复用器(ROADM)具有成本低、灵活性强、可靠性高等优点，已广泛用于城域核心环网及其边缘节点中，且将用于光纤到桌面/户/楼/路边(FTTx)接入网中。微环结构是实现小型化、多功能RoADM的最佳方案之一。基于高折射率差绝缘硅(SOI)构成的亚微米光波导，具有光波限制作用强、传输损耗低、易实现光子集成等优点。本文面向ROADM城域网以及各类接入网的需求，建立了微环滤波器数值分析模型，提出并设计了SOI微环滤波器及其相应的二极管(p-i-n)电致可调结构、新型ROADM模块等，研制了SOI微环滤波器及ROADM芯片，具有重要的理论与实际意义。
第二章建立了单微环四端口滤波器中光波与光信号传输理论模型。推导并得出非平行耦合波导分段耦合模方程，给出了分区耦合系数表达式，模拟分析了单微环四端口滤波器耦合系数随耦合段纵向变化的情况及其下路/输出端的频谱。在此基础上，建立了光信号在滤波器中传输的时域有限差分-时频转换(FDTD-TFT)分析模型，获得了高速光脉冲在其中传输时的演变与下路端口眼图。该法解决了传统FDTD法占用内存大、计算耗时的问题，为分析与设计微环滤波器提供了强有力的工具。
第三章从获取微环滤波器优异谱线、提高光脉冲在其中传输性能的角度出发，提出了内嵌微盘型微环滤波器结构，研究了该结构频率响应与微盘直径、盘环间距及盘间间距的关系。基于FDTD-TFT法，仿真分析且比较了该结构与单、串联、阵列微环滤波器结构的性能，结果表明该结构可大大抑制光脉冲的时延抖动，而单微环滤波器不能满足ITUT标准。设计了双向、任意向阵列微环滤波器结构及4×4、8×8网格型微环滤波器结构，仿真获得了光信号在各种结构中传输路径和传输率，证明了设计结构的合理性，可实现光信号高效灵活且无阻塞传输，为研制ROADM模块奠定了基础。
第四章针对内嵌微盘型微环滤波器结构，基于等离子色散调制效应，建立了硅二极管载流子色散模型，提出并设计了内嵌多盘圆形-双扇、内嵌4微盘齿轮形-双扇和双半圆-双扇电极结构。基于Silvaco软件，分别仿真分析了这些结构中关键剖面处在N、P区掺杂浓度均为le20cm-3和N、P区分别为le20cm3，2e19cm-3时的电流-电压特性以及载流子浓度变化状况，得出波长偏移量。将这些电极结构直接用于4×4、8×8网格型微环滤波器中，设计了可电调谐的ROADM模块。
第五章重点讨论了研制SOI ROADM平面光波光路(PLC)芯片的CMOS工艺、流程与步骤。基于SOI单模波导以及直波导/微环/微盘间亚微米尺寸，详细讨论了制作SOIROADM-PLC芯片的主要步骤及关键工艺参数，分析比较了采用电子束直接刻写(Ebeam)与干法刻蚀的质量。经过多次试验，在0.5μm工艺线上成功地获得宽度和间距都为0.3μm的波导与微环图形，在4”SOI晶片上研制出微环滤波器、ROADM系列芯片。最后对此次设计的12组微环滤波器阵列、ROADM模块芯片进行了说明，给出了6层相位掩模版设计图形及芯片实物照片，核实了关键部位的尺寸。
第六章基于实验室的PLC芯片耦合测试平台，提出了芯片测试方法，建立了测试装置。分别测试分析了单微环四端口滤波器芯片、内嵌型微环滤波器以及4×4微环滤波器阵列芯片，所得结果表明，其光谱特性与仿真结果基本一致。测量结果验证了设计的正确性和合理性，采用内嵌型微环滤波器结构提高了Q值，实现了光信号的双向和多向传输。
最后总结了全文，提出了进一步研制SOI-ROADM-PLC的具体建议。