硅基集成电路在电子工业发展中占据着主导地位,在各个领域得到了大量的应用。随着高性能计算和高速互连的发展,铜线逐渐无法满足高速数据传输的需求。全光互连具有大带宽和长距离传输的优点,因此被认为是一种有前途的解决方案。为实现低成本的全光互连,集成光子器件已成为学术界和工业界的热门研究领域。在这些技术中,硅基集成光子器件兼容于现有的硅基集成电路制造工艺,是光电子领域最热门的研究方向之一。硅基微谐振器具有小尺寸、低功耗和波长选择性等特点,因而在光通信系统中具有非常广泛的应用。本文研究了基于硅基微谐振器的光滤波器和光开关技术,首先理论分析了光波导器件的基本结构,然后在此基础上研究了硅基微谐振器在硅基交织器、梳状滤波器和光开关中的应用。本文的研究成果概括如下:1.基于硅基微谐振器的交织器波分复用(WDM)和高频谱效率是提升光通信系统容量的主要方式。交织器可以实现波分复用信号的复用和解复用,降低信道串扰和噪声。为了实现小尺寸和低功耗的交织器,本部分提出并实验演示了三种硅基交织器结构。1)基于迈克尔逊-吉莱-图努瓦干涉仪(MGTI)的波长可调交织器:提出并实验演示了硅基集成的波长可调MGTI交织器,该交织器具有较小尺寸和方形滤波谱。与基于微环的交织器相比,由于吉莱-图努瓦标准具(GTE)的驻波特性,实现相同信道间隔时具有更小的尺寸和更高的波长调节效率。器件尺寸为125μm×376μm,20-dB与3-dB带宽比为1.63,热调效率为~0.02 nm/mW。2)基于级联萨格纳克环干涉环路的波长可调交织器:提出了含有一个法珀谐振器的干涉环路结构,并根据最大平坦准则设计了平顶滤波的交织器,该器件具有小尺寸、平顶滤波和方便调节的优点。器件尺寸为120μm×60μm,20-dB与3-dB带宽比为1.42,热调效率为~0.08 nm/mW。3)基于一维法珀谐振器干涉环路的粗波分复用(CWDM)交织器:首次利用小尺寸和大自由光谱范围(FSR)的一维法珀谐振器实现了平顶滤波的CWDM交织器,该交织器具有小尺寸、大FSR、低插损(IL)和平顶滤波的优点,可用于构建CWDM复用器。器件尺寸为64μm×70μm,IL为~0.5 dB,信道间隔为~19 nm,1-dB带宽为~13 nm。2.基于硅基微谐振器的波长带宽可调滤波器光网络中存在多种不同信道间隔和带宽的信号,为了适应网络的动态变化需要设计可重构的光滤波器。波长带宽调节是可重构滤波器研究中的一个重要课题。本部分围绕波长带宽独立调节的目标,提出并实验演示了一种波长带宽可调的梳状滤波器。基于级联萨格纳克环的波长带宽可调梳状滤波器:提出并实验演示了波长和带宽可调的梳状滤波器。该滤波器由两个带有马赫-曾德干涉仪(MZI)耦合器的萨格纳克环构成,通过对MZI两臂实现共模和差模调节,可以改变萨格纳克环的相移和反射率,进而调节梳状谱的波长和带宽。所设计的梳状滤波器在30-nm波长范围内具有间隔为0.322 nm的93个梳状谱线。波长热调效率为~0.019 nm/mW,热调范围为~0.462 nm。当差分热调功率从0 mW增加到0.53 mW时,滤波带宽从5.88 GHz增加到24.89 GHz。3.基于硅基微谐振器的光开关大规模光开关是光网络中的关键器件,基于硅基微谐振器的光开关具有小尺寸、低功耗和波长选择性等特点。本部分研究两类基于硅基微谐振器的光开关,开关单元(SE)结构分别为双纳米梁(nanobeam)MZI和双环谐振器。1)基于双纳米梁MZI的2×2热光开关:实验演示了基于双纳米梁MZI的2×2热光开关,该开关结构是将两个纳米梁嵌入到MZI两臂。由于纳米梁具有超小模场体积和高Q值的特点,因此适用于实现小尺寸和低功耗的光开关。器件尺寸为38μm×84μm,通过对两个纳米梁的热调实现开关切换。交叉(cross)和直通(bar)状态的热调功率分别为~2.66 mW和~2.36 mW。上升沿和下降沿的响应时间分别为7.1μs和3.9μs。2)基于双环谐振器的N×N光开关:实验演示了O波段基于双环谐振器的2×2和4×4热光开关,以及4×4电光开关,并设计了基于双环谐振器的16×16电光开关。电光开关单元中,微加热器(heater)、p-i-n结和光电探测器(PD)分别用于谐振波长对准、开关切换和功率监测。双环热调效率为~0.057 nm/mW,热调一个FSR所需功率为~210 mW。电调效率为~0.034 nm/mW,上升和下降沿时间分别为5.5 ns和6.9 ns。PD响应率为~0.53 A/W。4×4电光开关的最大插损为10.3 dB,电调的消光比为27.5 dB。