不断涌现的互联网新型数据业务，如视频会议、电子商务、视频点播等，对通信网络的容量提出了越来越高的要求。为了适应这一需求，作为通信网络主干的光纤通信系统的链路容量一直保持持续增长的态势。链路容量的不断增长，自然对网络交换节点的处理能力提出了越来越高的要求。片上多核处理器成为微处理器架构主流的事实说明，依靠减小晶体管尺寸、提高工作频率的手段提高处理器性能的方式已经遇到了困难，摩尔定律接近失效。针对光网络交换节点的需求研究开发新型信息处理方式已经成为普遍的共识。　　 本论文的主要目的是研究一种称为“导向逻辑”的新型光信息处理手段。导向逻辑的概念最初由美国科学家James Hardy和以色列科学家Joseph Shamir于2007年提出，其基本思想是利用逻辑操作数来控制光的传播，将逻辑运算结果表现在特定输出端口的出光状态上。导向逻辑利用光开关来控制光的传播，有两个显著特征：一是逻辑操作数对光开关的作用是同时完成的，这有别于传统电学逻辑的运算方式，在那里后级电路需要等待前级电路的运算结果；二是其运算过程依赖于光的传播，天然具有高带宽与低延迟的特点。　　 导向逻辑器件的基本单元为光开关，它有多种实现方式，本文要研究的是基于硅基微纳波导微环谐振器(MRR，Micro-Ring Resonator)的光开关，它具有工艺成熟、集成度高及可实现光电混合集成的优点。本文的主要工作是对基于MRR光开关的导向逻辑器件进行原理性验证，并在MRR光谱特性与动态特性的研究基础上，分析了所提出的导向逻辑器件的光谱响应与极限速度。　　 第一章介绍了光网络的发展、常见光信息处理手段及本文的概况。首先指出了链路容量与交换节点发展的不匹配，这主要是由传统电学处理方式的发展放缓引起的。随后介绍了基于非线性光纤、半导体光放大器及平面光波回路的光信息处理方案。在简要介绍了新兴的硅基光子学研究进展之后，介绍了本文要研究的导向逻辑的概念，以及本文的目的、主要内容与创新点。　　 第二章介绍了硅基微纳光波导的基本属性。首先介绍了SOI(Silicon oninsulator)材料体系的特性及基于SOI的典型微纳波导结构。介绍了硅基微纳光波导的传输性质，包括单模条件与色散特性。随后分析了硅基微纳波导器件设计中两个基本功能部件：交叉节点与耦合单元。最后介绍了硅基波导的折射率调制方式，包括本文采用的热光调谐方式及高速调制常用的等离子色散效应。　　 第三章重点分析了MRR的特性。首先通过与法布里-珀罗干涉仪的类比介绍了MRR光开关的工作原理，并从数学上证明了二者具有相同的滤波特性。散射矩阵模型是分析MRR传输特性的重要工具，基于这一模型介绍了临界耦合、过耦合与欠耦合的概念。随后介绍了描述MRR的几个重要概念与参数，它们是自由光谱区、光学带宽、精细度、光子寿命与品质因子，给出了它们之间的关系。光信号经过处于稳态的MRR所经历的延迟由群时延描述，它与MRR的相位传递函数密切相关。本章从群速度的定义推导了MRR的群时延的表达式，解释了文献中群时延不同定义的区别。然后讨论了MRR在不同耦合状态下的群时延，得出了下载端在谐振波长处群时延为光子寿命的2倍的结论。本章最后介绍的MRR的时域模型是描述其动态工作特性的重要工具。通过建立离散时间模型，推导了MRR中各位置电场随时间演化的表达式。当MRR从失谐态切换到谐振态时，得出直通端稳定时间(输出功率降至初值的10％)为MRR光子寿命的2.30倍，下载端稳定时间(输出功率升至终值的90％)为MRR光子寿命的5.94倍。当MRR经绝热调谐从谐振态切换到失谐态时，解释了输出端口振荡现象的成因，并通过数值模拟给出了端口输出稳定时间的估计值。　　 第四章介绍了由两个MRR构建的可实现与/与非、或/或非及非逻辑运算的导向逻辑结构。解释了该结构实现不同逻辑运算的原理，分析了使用等离子色散效应与热光效应的区别。介绍了光波导结构设计、热调制结构设计及器件制作步骤。给出了器件静态测试结果，及进行与/与非运算、或/或非运算的动态实验结果。运用MRR的散射矩阵模型构建了器件光谱分析模型，重现了实验中获得的器件光谱，解释了其中干涉条纹的成因。最后利用上一章MRR时间特性分析结果估计了该导向逻辑器件的极限工作速度。　　 第五章介绍了利用MRR构建的可实现异或/同或运算的导向逻辑结构。根据工作波长的选取方式，给出了器件工作的两种模式。其中第二种模式适用于利用等离子体色散效应、电场效应对MRR进行调制，因为调制过程引入的损耗并不妨碍器件的运行。在两种工作模式下，器件的动态运算功能均得到验证。将器件看作以MRR为分光及合光元件的马赫-曾德尔干涉仪(MZI)结构，定性地解释了器件光谱中的退化现象，并用散射矩阵模型给出了定量的分析。最后利用第三章的MRR时间特性分析结果估计了该导向逻辑器件的极限工作速度。　　 最后一章对全文进行了总结，并针对存在的问题给出了可能的解决途径。