硅基电子芯片是现代信息技术的基石。伴随着信息时代的发展,人们对计算机性能和通信网络传输速度的要求都越来越高。传统电子芯片在抗干扰、损耗等方面呈现出越来越多的限制,无法满足日益增长的信息传递需求。光通信已成为通信发展的必然趋势。硅基光子的相关元器件由于其制作价格低廉,且易于与电子芯片实现集成,拥有巨大的发展潜力。作为硅基光子器件的重要组成部分,硅基定向耦合器因为其结构简单、易于加工等优点被广泛应用于光子集成电路中,如波分复用、光开关、光计算等。然而,传统定向耦合器的分光比对波长非常敏感,这种波长敏感性限制了器件的工作带宽和传输特性。为了降低定向耦合器分光比的波长敏感性,实现较大的工作带宽,本文通过理论计算和仿真模拟的方式,设计并仿真验证了两种不同结构的宽带定向耦合器,经过不断优化,两种定向耦合器均实现了100nm的工作带宽。在芯片制造过程中,加工工艺误差是不可避免的,工艺误差往往会导致器件的实际性能偏离设计需求,对于由多个器件组成的光传输网络,单个器件的性能偏差将会影响整个系统的正常工作。定向耦合器一般由两根硅光子波导组成,是硅基光电子芯片中最基本的无源器件,其工艺误差主要发生在波导尺寸的改变,集中表现为两种变化方式,即两根波导尺寸的同步变化(synchronous variation)、两根波导尺寸的差分变化(differential variation)。为了研究宽带定向耦合器的工艺容差性能,本文通过保持两波导的中心位置不变,改变波导的宽度和厚度,实现了对设计的两种器件的仿真计算,仿真结果表明,在波导宽度同步变化时,弯曲波导定向耦合器具有更好的工艺容差,而对于波导宽度的差分变化,两种定向耦合器都无法正常工作。由于硅材料具有很大的热光系数,许多基于热光效应的器件如热移相器和热光开关等得到了研究。然而,热光效应引起的硅折射率的变化,也会使定向耦合器等传统光学器件的性能下降,为了进一步分析热光效应对定向耦合器的影响,本文研究了两个宽带定向耦合器的温度耐受性。在3D-FDTD仿真中设置工作温度从0°C变化到200°C,研究了温度变化对两个宽带耦合器的影响。研究结果表明,两种定向耦合器都具有较好的温度耐受性,均可在较大的温度范围内保持工作。最后本文基于已有的无源定向耦合器结构优化,对有源器件热光开关进行了仿真计算和研究。测试了现有的传统硅基热光开关器件,分析了现有热光开关的数据和不足,模拟计算了由宽带定向耦合器构成的热光开关的消光比。