近年来,关于量子-光学类比的研究引起了人们的广泛关注。量子力学和波动光学的相似性允许将为操纵量子态而开发的方案直接应用于波导器件的设计。以可控和可靠的方式相干地操纵量子系统在设定量子态之间转移粒子的能力是量子物理学中非常重要的主题之一,且已经开发研究了一些优质的量子态转移技术,如受激拉曼绝热通道方案、反向透热补偿方案、无跃迁量子驱动方案以及Lewis-Riesenfeld不变量理论等。本文的工作就是基于量子-光学的相似性,利用Lewis-Riesenfeld不变量理论进行光通信波导器件的研究设计与模拟。这种方案理论上可以把器件尺寸做到任意小,为用于高速光通信和超密集集成系统的光器件设计,提供了一种有吸引力的解决方案。本文的主要研究成果如下。1.量子逻辑运算是量子计算的基本运算,已经在各种时间演化的原子系统中实现。在这里,我们提出了一个方案,即使用耦合的三平板波导结构来模拟实现典型的量子NOT门和Hadamard门操作,而不是通常的原子级。两个外侧弯曲波导中的本征模式被编码量子比特的两个逻辑状态,中间直波导中的模式作为耦合器的辅助。基于Lewis-Riesenfeld不变量理论,通过对光波导之间耦合参数的设计,实现设定的快速稳健的模式转换模拟量子NOT门,而利用模式分裂实现Hadamard门。这里演示的逻辑门的实现依赖于波导的结构参数,而不是通常驱动原子系统的时间演化持续时间,因此在当前的集成光学技术中应该是可行的。2.驱动量子系统的相干动力学的实验演示通常受其较短的相干时间(由于不可避免的环境噪声)的限制。假设光波导中描述电磁波的麦克斯韦方程与受驱动量子系统的薛定谔方程具有相似的形式,那么光在空间域中沿波导传播就可以模拟时间域的量子动力学。为了模拟Landau-Zener(LZ)跃迁和周期驱动二能级系统Landau-Zenner-Stückelberg干涉过程中量子态的快速时间演化,我们应用Lewis-Riesenfeld不变量方法设计了紧凑的弯曲波导型器件,展示了空间域中的LZ跃迁和LZS干涉。给出了基于量子光学类比的光波导设计与LZS干涉测量之间的联系。为设计和制备紧凑型光调制器提供一种可选的良好设计方案。3.由于平面集成光波导电路在水平尺寸和信号路由上的局限性,需要发展三维集成技术。因此三维的路由和耦合器件成现代信息传输的关键器件。本文基于Lewis-Riesenfeld不变量工程的解析方法,设计了三维定向波导耦合器,克服了常规的数值求解三维耦合模方程的复杂性。我们的方法是基于量子-光学类比,构造的空间域不变量有效地求得三维耦合模方程的解析解,类似于在时间域中求解量子系统的动力学演化。我们利用不变量法可以灵活地地设置互连的三维波导之间的耦合参数,实现各种期望的功率分割。由于不变量法是获得绝热特性的捷径技术,基于不变量工程设计的紧凑器件具有对耦合系数变化和耦合长度的鲁棒性。