随着网络技术的不断发展,信息传递量的不断增长,高效率、快速度地通信已经成为当今社会人们关注的研究热点之一。光是一种理想的信息载体,在通信领域中占据着十分重要的位置。过去几十年,光通信网络的发展已经取得了显著的成果,现在正朝着更大带宽、更传输速率、更低功耗的目标不断推进。实现动态光学信号路由是降低光网络系统和数据中心系统的复杂度和功耗的关键技术之一。光开关作为动态光学路由中的光学器件,广泛地应用于光通信,光计算,光互连和光信息处理系统,是学术领域和工业界研究的热点之一。硅基材料具有制作工艺成熟,与CMOS技术兼容,等离子体色散效应强,易于实现单片集成等优势,使得硅基光子器件芯片级大规模光开关阵列取得了较大的发展。光开关阵列的大容量和硅基芯片的高集成度都对光开关的小体积和低功耗提出了严格的要求。硅基光开关的研究中,马赫曾德干涉仪(MZI)和微环谐振腔(MRR)是两种比较常见的基本元器件结构,微环谐振腔的半径一般在几十微米数量级,马赫曾德干涉仪的臂长也在几百微米甚至达到毫米数量级。因此,减小器件尺寸,降低器件能量损耗,成为本文的重点实现目标。而纳米梁(nanobeam)谐振腔以其超小的模场体积,较高的品质因数Q值,在实现小体积,低功耗的硅基光开关方面表现出了极大的优势,近年来备受人们的关注。本文围绕基于硅基纳米梁谐振腔的低功耗光开关的研究展开如下工作:1)超小模式体积硅基纳米梁谐振腔的结构优化设计:纳米梁(nanobeam)谐振腔是在直波导上刻蚀一系列的空气孔形成的,整个谐振腔部分可以分成三部分:中间部分是由一系列渐变孔径的空气孔组成,称为渐变部分(Taper section),是用来减小波导的散射损耗,实现光子晶体的布洛奇模式(Block mode)和直波导模式之间相位的高度匹配;在中间渐变部分的两端各有一排周期性排列的孔,这两个具有周期性排列的空气孔部分相当于两面反射镜(Mirror section),是用来把尽可能多的光反射回中间的位置,以实现对光场的强烈束缚,进而形成谐振模式。这三部合起来构成一个Fabry-Perot(F-P)谐振腔。Nanobeam谐振腔通过结构设计优化,将光能强烈地束缚在极小的器件范围内,这样可以实现超小模式体积。2)基于硅基纳米梁谐振腔的四端口光学器件物理模型的建立:基于耦合模理论分析,单个nanobeam谐振腔与其两侧的直波导耦合,形成三波导四端口的驻波式耦合器。在nanobeam谐振腔与其两侧的直波导耦合强度分别相等时,由于nanobeam谐振腔是驻波模式的,所以基于单个nanobeam谐振腔的四端口耦合器的各个端口的能量分布相等,各为25%。为了实现输入的能量都集中在四端口耦合器的一个端口,需要将两个驻波模式的nanobeam谐振腔级联,并且上下两臂之间存在π相位差。因此我们提出并建立了基于两个nanobeam谐振腔的四端口光学器件的物理模型。3)基于硅基纳米梁谐振腔的2×2热光开关的研究:基于两个nanobeam谐振腔的四端口耦合器,利用硅材料中的热光效应,通过电调加热改变硅材料的折射率,使nanobeam谐振腔的谐振波长红移,进而实现2×2热光开关的切换过程。本文探讨了利用nanobeam谐振腔的超小模场体积和硅材料的较高热光系数实现的亚毫瓦级开关功耗,热调效率极高的2×2热光开关,通过器件制造和实验测试分析了热光开光的性能。4)基于硅基纳米梁谐振腔的2×2电光开关的研究:硅基器件的电光调制主要是利用自由载流子的等离子色散效应实现,相对于热光调制,电光调制具有更小的能量损耗和更高的调节速率。所以本文同时对基于硅基纳米梁谐振腔的2×2电光开关进行研究,拟实现动态能耗在a J/bit数量级的2×2开关单元器件的设计,制造和系统测试。