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光开关、光集成器件广泛应用于日益迅速增长的光通信系统中。包含光放大器、光开光等波导器件的有源集成光波导芯片是光互联网络中可重构型光交叉复用模块的主要组成部分,在光通信、光传感领域中受到了广泛关注。在过去的几十年中,光学传感技术在环境和工业监测以及医疗保健（例如疾病诊断和生物医学）应用领域取得了重大进展。集成光波导生物传感器因为其超小型尺寸,高灵敏度,无标签检测,样品消耗量低,抗电磁干扰,制造过程与CMOS技术兼容可实现低成本的大规模制造等优点而被广泛研究,同时也可以与其他设备如光源,检测器和微流控单元集成在同一芯片上实现低成本、可便携、用于现场测试应用的芯片实验室模块。基于这种研究方向和目的,本论文设计了有源集成型光波导芯片,对制备器件的材料特性以及器件结构设计流程分别进行了介绍,并对最终设计的折射率传感型器件的传感特性进行了分析与研究。1.基于光波导模式理论,对非对称三层平板波导的特征方程进行了分析,利用有效折射率法对矩形波导导模特征方程进行了推导,计算了脊型波导结构模式,分析传感型波导器件结构,介绍了光波导器件实现传感功能的工作原理,即消逝场原理。阐述了热光效应的工作形式及其原理,对马赫曾德尔干涉（MZI）型波导器件的结构进行了介绍,分析了光开关器件的工作原理。对基于干涉结构的波导器件进行了分析,介绍了基于多模干涉（MMI）结构的光波导器件的工作方式,并对其实现折射率传感功能的工作原理进行了阐述。2.提出了新型基于介质加载表面等离子体激元极化波导（DLSPPW）结构的全聚合物热光开关阵列器件。利用光学仿真软件对器件的设计尺寸进行了优化,低损耗氟化光敏聚合物（FSU-8/FBPA-PC EP）和有机-无机接枝改性PMMA材料被分别用作聚合物波导的芯层和包层。对材料的制备流程进行了详细的介绍,表征了材料的光学和热学特性,测得了材料较低的吸收损耗和优良的热稳定性。通过截断法测得4μm宽的DLSPPW的传输损耗为0.55 dB/cm。器件的插入损耗约为4.5dB。开关器件在施加200 Hz方波电压的条件下,上升和下降时间分别为287μs和370μs。驱动功率为5.6mW,消光比为13.5 dB。结构设计灵活、低损耗的多功能波导型光开关阵列适合实现大规模的光电集成电路。金属表面等离子体模式的敏感特性以及在测试过程中获得的对波长敏感的微小电流现象使得DLSPPW结构在实现多功能集成传感和生物医学应用等方面表现得更具研究意义。3.设计了具有损耗补偿功能的聚合物MZI结构的热光开关器件,选择低损耗的氟化光敏聚合物作为波导芯层材料,掺铒共聚物（GETPM）材料作为波导上包层材料,在减小器件损耗的同时,可以实现对器件损耗的补偿功能。介绍了制备器件所需的材料GETPM的制备方法及特性表征,例如玻璃态转变温度、热失重温度、不同掺杂含量的GETPM的吸收谱以及发射谱特性等等。对FSU-8/FBPA-PC EP材料的特性、开关器件的理论设计和工艺制备等方面进行了优化,并对开关性能进行了详细分析和测试,测得FSU-8/FBPA-PC EP和GETPM材料的热光系数分别是-1.85×10-4℃-1和-1.65×10-4℃-1。通过不同掺杂浓度的FSU-8/FBPA-PC EP的不同折射率,计算波导结构的有效折射率。优化波导、电极尺寸,设计热光开关器件结构。测试开关器件,得到方波电压500 Hz条件下的开关响应,上升和下降时间分别为396和461μs。插入损耗约为6dB,消光比为14dB,驱动功率约为6.5 mW。在1530nm处测得器件最大的相对光增益为1.9dB,可以实现对器件的损耗补偿功能。4.在上述两部分材料性能、结构优化和实验测试的基础上,提出了结构更加简单的基于金属包层定义波导结构的有源功能集成光波导芯片,对器件中光放大器,光开关和传感区结构进行了优化设计。阐述了金属包层定义型波导器件的设计思路和模拟分析,详细分析了该结构的波导模式,用光学仿真软件对MMI结构的光开关及光放大器进行了优化设计,并对器件进行了制备与测试分析。给出了器件制备详细的工艺流程,精确控制各个参数,包括制备所需材料,制备条件,实验设备等等。对直波导光放大器的部分和MMI型热光开关的部分分别进行了测试,当输入信号光功率为1mW时,测得光放大器最大的相对增益为3.6dB。对于MMI型热光波导开关部分,通过施加频率为300 Hz的方波电压测到热光响应,上升和下降时间分别为511和341μs。消光比为20 dB,开关功率为23.5mW。对金属包层定义型波导器件的传感区结构进行了设计与测试,以浓度为20mg/L的中药材料贝母甲素的有效折射率作为参照点设计了器件传感区结构的各个参数,优化了器件结构。器件灵敏度为2×103 RIU-1,分辨率和检测极限分别为2.5×10-4和1.3×10-7 RIU。器件在对应于输出光功率5dB的范围内可以实现对贝母甲素的浓度范围（10-25 mg/L）有效地检测。