基于光通信、光计算和光学生物传感等实际应用对光学芯片技术的需求，以及微电子学、光电子学等学科的相互交叉与推进，硅光子学已成为当今世界上一个热门的前沿学科。依靠硅光子学的技术支持，光子器件与电子器件可集成到同—硅片上，从而具有异乎寻常的信息收发和处理能力。其中，光开关尤其是高速率光开关是实现光互连和光计算等应用的关键器件之一。　　 本论文主要讨论和分析了绝缘体上硅(SOI，Silicon-on-Insulator)脊形光波导的单模条件，提出了双层脊形光波导结构和采用多模干涉(MMI，MultimodeInterference)波导替代传统弯曲波导的方法，设计和优化了基于MMI-马赫曾德干涉仪(MZI，Mach-Zehnder Interferometer)和反向PN结的电光开关，并在SOI材料上进行了实验研究。论文工作的主要创新成果为：　　 (1)依据经典的理论模型，首次采用正弦函数修正了现有单模公式，得出适合深刻蚀情况的严格单模条件。对波导结构进行讨论后发现：刻蚀侧壁的光散射会使单模条件宽松化，而隔离槽或有限宽平板使单模条件呈现严格化趋势。在此基础上，首次提出双层脊形光波导，该结构有利于调节波导的偏振相关性。　　 (2)首次提出采用二氧化硅覆盖层和包覆型金属电极，有利于抑制光散射和光吸收，为电光开关的设计和偏振态的控制等提供了新的选择。对于实际制作的单层脊形光波导，所采用SOI的顶层硅厚度为340nm，测得光波导的传输损耗约为0.995dB/mm，且最大偏振相关损耗达到23.3dB。　　 (3)基于多模干涉波导的模场横向位移特性，首先提出采用多模波导替代S形弯曲波导实现模场的平移。对于厚度为500nm的小尺寸波导而言，横磁(TM)模的横向位移效率可达0.107，比S形弯曲波导要高一倍以上。　　 (4)采用多模干涉模型推导了楔形波导的绝热近似条件，首次将楔形连接波导引入MMI-MZI型光开关以优化光开关的基本特性。优化后，调制臂的均衡度提高到0.0016dB，整体附加损耗减小为0.09dB，输出串扰优于-34.5dB。与未优化结构相比，这三个指标分别改善了0.076dB、1.09dB和13.5dB。　　 (5)设计了基于反向PN结的电光开关，首先采用优化PN结面的位置和掺杂分布的方法，以光学损耗为代价提高其调制效率。掺杂浓度提高到1018cm-3量级可使调制效率提高一倍以上，采用MZI结构时电压长度积约为13.6V·mm。静态损耗最大为3.57dB，反偏置电压为10V时变化范围约2dB。　　 亚微米光波导具有独特而丰富的模场特性，对其开展深入研究已经并将继续推动硅光子学向前发展。可以预见，随着结构设计的优化和制作工艺的改善，基于SOI亚微米光波导的电光开关会显现出优异的性能，适应并满足各类光学芯片的应用要求。