随着光纤通信技术的高速发展,通信容量得到了不断提高,而新的全光通信技术因有望解决传统光交换机中光-电-光交换带来的瓶颈而备受瞩目。作为全光通信的关键技术,全光信号处理,如全光缓存、波长转换、码型转换等技术正受到国际上越来越广泛的研究和关注。另一方面,半导体加工工艺的发展和市场的成本因素,使得光电子技术正向光电子集成方向发展。因此基于集成光电子器件的全光处理技术,已经成为高速、大容量、低成本全光信号处理技术研究中最大的亮点之一微环谐振器(简称微环),是集成光电子技术中最重要的器件之一。由于微环腔体的形成不需要腔面,使其与生俱来具有可集成优势,其微纳尺寸可以支持大规模单片光电集成。基于硅基材料、Ⅲ-Ⅴ有源材料、以及聚合物材料的微环得到蓬勃发展,并在全光缓存、波长转换、参量振荡等全光信号处理中得到广泛的研究。本论文首先将详细介绍微环的理论知识,设计方法及其加工工艺。然后以全光信号处理为背景,对基于微环的光电器件,如偏振控制、波长/带宽同时可调谐的光学带通滤波器(OBPF),以及全光信号处理,如波分复用(WDM)归零码(RZ)到非归零码(NRZ)码型转换、WDM NRZ-差分相移键控(DPSK)信号解调、640 Gbit/s NRZ信号产生、全光存储单元等,进行了详细的理论以及实验研究。概括全文的研究成果和贡献,可以总结为以下几个方面：(1)从光波导理论出发,深入讨论了微环的基本原理。并利用参量模型,推导了全通型以及上传/下载型微环的传输特性及其重要参量的表达式。在此理论基础上,基于时域有限差分(FDTD)方法、三维全矢量模式匹配法(3D FVMM)和三维耦合模理论(3DCMT)等设计方法,从微环的耦合系数,环形弯曲波导的色散、损耗等角度,详细讨论了微环的设计,介绍了硅基微环的加工工艺,并结合实验验证了设计的精确性。(2)详细介绍、并首次在绝缘硅(SOI)上实现了一种基于上传/下载微环马赫-泽德干涉仪(ADMRR-MZI)结构的波长和带宽同时可调、具有高形状因子以及消光比的光学带通滤波器。滤波器的形状因子以及消光比相对于单个微环的洛伦兹形响应以有了极大的提高。方案通过温度控制两个微环的谐振波长,方便地实现了波长和带宽的同时可调谐,同时保持滤波器了较小的带内幅度抖动。(3)利用非对称直接耦合器,在SOI上实现了一种具有偏振无关的微环直通端响应特性的偏振分集(Pol-D)光学芯片。相对于之前报道的方案,本方案仅需一次曝光以及刻蚀工艺,大大简化了加工工艺。实验测得了<1dB的偏振相关损耗,并将制作出的器件应用于20 Gbit/s NRZ-DPSK的解调,验证了偏振相关性的改善。另外,利用微环的偏振相关性,提出了一种微环和相移器集成实现线偏振、圆偏振、椭圆偏振光之间转换的方案。通过3D FVMM、3D CMT方法对器件性能进行了模拟和分析。(4)对微环在WDM中的应用进行了理论以及实验研究。首先详细研究基于硅基微环的全光RZ-NRZ码型转换,并对微环进行了的优化。利用制备的微环直通端的周期性下陷梳状谱(自由光谱范围(FSR):100 GHz, Q:7900),成功实现了WDM RZ-NRZ码型转换,单信道速率为50 Gbit/s,实验结果显示出良好的工作性能。然后综合分析了基于硅基微环的NRZ-DPSK言号的解调。利用制备的硅基微环(FSR:100 GHz, Q:6700)的周期性梳状谱结构,成功实现了WDM NRZ-DPSK的解调,单信道速率为40 Gbit/s.实验结果显示微环直通端和下载端都具有非常好的解调性能。并且相比于传统MZI解调,下载端口的解调表现出更好的波长失谐容忍度。(5)对微环在光时分复用(OTDM)中的应用进行了实验研究。在国际上首次提出并实现了利用微环(FSR:1.28 THz, Q:638)对超高速640 Gbit/s OTDM信号进行RZ-NRZ码型转换,从而产生超高速640 Gbit/s NRZ信号的方案。实验结果显示640 Gbit/s NRZ信号的各路OTDM信道均具有良好的信号质量。相对于640 Gbit/s RZ信号,码型转换后的640 Gbit/s NRZ信号具有更加优良的光谱效率以及色散容忍度。(6)首次提出利用光积分器实现全光存储单元的概念。提出了双有源微环积分器耦合的全光存储单元结构,理论分析了存储单元的工作性能。根据提出的全光存储单元,进一步提出并模拟了一种全光数字移位寄存器的方案。还提出了结合电吸收调制器的有源微环积分器实现全光存储单元的方案。利用Ⅲ-Ⅴ族有源材料的二能级模型,并综合考虑了载流子浓度变化、噪声等的影响,对全光存储单元进行了详细的仿真模拟。