硅基光子学由于其具有低功耗、低成本、高密度集成以及CMOS工艺兼容等优势,已经成为下一代片上光网络中一种非常有前景的技术。可调谐光集成器件是硅基光子学中的一个非常重要的组成部分,凭借其灵活与可重构等特点,受到了极大的关注。此外,由于硅材料本身具有高的热导率以及高的热光系数,故而热调谐的方法被广泛地用于硅基光子集成器件中来实现有效地调谐。然而,热调谐器件的高功耗问题在很大程度上限制了其在光子集成电路中的应用。本文针对具有长波导结构的热调谐硅基光子集成器件的高功耗问题,展开了一系列的研究,具体研究内容如下:(1)利用空气隙的高热阻特点,在波导下方引入空气隙,形成悬空结构,来阻止热的垂直流动,从而达到大幅度降低热功耗的效果;但是悬空结构的引入会降低结构的稳定性与调谐的响应速度;为此,对周期性侧向支撑结构进行进一步优化,不仅提高了其稳定性,而且合理地降低了热响应时间,从而实现了高性能热调谐的效果。(2)基于以上含空气隙与周期性侧向支撑柱的波导结构,结合端面Bragg光栅的滤波特性,我们分别设计并制作了一种高性能的基于均匀光栅的宽带带阻滤波器和一种基于错位光栅的窄带带阻滤波器。测试结果表明:所制作出的滤波器性能基本达到理论预期,不仅具有极高的调谐效率,而且有较好的响应速度和结构稳定性。(3)基于传输矩阵的方法,优化设计了一种基于脊波导的3 dB波长无关定向耦合器,并与含周期性侧向支撑柱的悬空式光波导结构相结合,设计并制作了一种宽带的高性能马赫-泽德热光开关,测试结果表明:我们所制作的器件具有低开关功耗、快速响应、低插损以及结构紧凑等特点,具有应用于在光子集成电路中的潜力。