随着现代光网络的不断发展,研究并实现大带宽、低损耗、低串扰的集成光开关具有非常重要的应用价值。而3dB光分束器作为光开关中的关键器件,其特性直接影响着构成复杂集成器件的性能。本文在相关集成光学器件设计理论的基础上,分别在氮化硅与绝缘体上硅平台上设计了两种宽带偏振不敏感的3dB光分束器。在此基础上,利用两种3dB分束器分别在两种材料平台上设计了具有宽带低损耗特性的马赫-曾德尔热光开关。具体研究内容与成果如下:(1)设计了一种基于多模干涉耦合器的宽带偏振不敏感3dB光分束器,该光分束器基于氮化硅平台。通过采用1.2μm×0.3μm截面尺寸的波导实现了偏振不敏感特性,并利用优化后的锥形接入波导来代替直波导的方法降低了损耗并获得了宽带特性。仿真结果表明,该器件的3dB工作带宽达到了160nm(从1460nm到1620nm),工作波长范围内的额外损耗小于1dB,偏振相关损耗小于1.25dB。(2)设计了一种基于定向耦合器结构的宽带和偏振不敏感的3dB光分束器,该分束器基于绝缘体上硅平台。研究中采用脊形波导实现了器件尺寸的紧凑性,并对波导的横截面参数进行优化实现了偏振不敏感特性。同时,通过引入弯曲波导来代替直波导获得了宽带特性。提出的3dB分束器理论上实现了1480nm到1620nm(~140nm)波长内的偏振不敏感特性,同时其耦合区长度仅为22μm。在50%±5%的耦合比范围内,TE和TM模的额外损耗分别小于0.04dB和0.06dB,两个输出端口的偏振相关损耗小于0.7dB,且器件具有良好的制造容差。(3)利用所设计的基于多模干涉耦合器的宽带偏振不敏感3dB光分束器,进一步构造了一种基于氮化硅的大带宽、低损耗、高消光比、偏振不敏感的马赫-曾德尔热光开关。其对于TE模与TM模的开关功率分别为230mW、240mW,消光比分别为31.5dB、24.8dB;在1460nm~1620nm的波长范围内TE模与TM模的交叉态插入损耗分别小于1.5dB、1.8dB,通道串扰分别小于-23.8dB、-22.2dB,直通态插入损耗分别小于1.2dB、1.1dB,通道串扰分别小于-31.3dB、-21.4dB。(4)将所设计的基于定向耦合器结构的3dB光分束器用于构造马赫-曾德尔热光开关,实现了具有大带宽、低损耗、高消光比、偏振不敏感的开关特性。在TE与TM模下工作的开关功率均为63mW,消光比分别为39.3dB、47.1dB。在1480nm~1620nm的波长范围内,TE模与TM模的交叉态插入损耗分别小于2.2dB、2dB,通道串扰分别小于-18.4dB、-25.2dB,直通态插入损耗均小于1.6dB,通道串扰分别小于-38.4dB、-46.6dB。