光纤通信网几乎是唯一的手段去满足人们对通信网络的容量，带宽和速度的不断要求。在光纤通信网技术中，大规模的集成光路的研究是十分重要的，因为这种光器件可以替代电子器件直接应用于光网中，如光滤波器，上下载器，光开关和路由器等等。这样可以去掉那些昂贵的电光(EO)和光电(OE)转换设备，来降低网络的传输成本。而且用光子器件取代电子器件可以大大增强网络的能力，因为电子处理已经成为制约目前光网性能进一步提高的瓶颈。在大规模的集成光路研究中，基于多模干涉(MMI)的光子学器件具有十分诱人的优点，如小型化，易集成，宽的带宽，偏光依存性小和容易制作。多模干涉的光子学器件的研究已经成为集成光子学中的一个研究热点。 作为集成光子学的基板材料之一，SOI(绝缘体上硅)基板越来越受到人们的关注。不仅因为硅的折射率大，在通信波长窗口透明，非线性效果小，稳定，而且SOI是一种常用的集成电路的基板。这样，SOI基板的使用就为将来将电路和光路集成在一个基板上提供了机会。 本论文是以我提案并且在SOI基板上实现的多模波导器件为中心的研究总结。我的研究可以简单地总结为以下4个方面。 第一，多模干涉理论的研究。传统的多模波导器件的理论研究基本上是基于矩形或者直线形变化的锥形。在已有的多模理论的基础上和利用模式分析方法，我首次研究了在非直线形变化的锥形中的多模干涉现象。研究成果包括：我得出了一个反映在任意形状的多模波导中各个模式间相位变化新的关系。利用这个新的结论，我证明了稳定的多模干涉像在非直线形变化的低损失锥形多模波导中的存在。 第二，集成光路用的硅波导结构的新设计。目前基于硅波导的结构基本上分为2类。一类是传统的脊状(rib)大尺寸的单模硅波导，其特点为传输损耗小(＜1dB/cm)。但是这种波导很难用来进行光子集成，因为不可忍受的弯波导的曲率半径(-cm)。另一类为单模的硅细线(mesa)波导。其优点为曲率半径很小(-μm)，便于光子集成。但是其传输损耗很大(＞15dB/cm)。综合二者的特点，我采用了脊状结构的小尺寸的光波导。根据我的实验结果，这种新的单模光波导的损失和曲率半径分别为3dB/cm和mm级别。我的实验结果证实了这是一种可行的硅波导技术。在制造技术上，我采用Cr材料作为模板材料，一方面增强离子腐蚀(RIE)中模板的耐性。另一方面，利用Cr的同方向腐蚀特点可以在一定的范围内调整导波路的宽度。 第三，基于非直线形变化的锥形多模干涉的相干信号合波器的研究。多模干涉器件的一个缺点是存在着后向反射。在集成光路中，这种后向反射将会影响系统的性能，特别是在多模干涉器件与半导体光放大器等连接的情况下。为了抑制这种后向反射，根据我的理论研究，我首次提出了一种基于非直线形变化的锥形多模干涉的相干信号合波器。我在SOI基板上，实现了这种相干信号合波器，并且测试了其性能。其结构损失为2dB，消光比为10dB。测试的结果与理论预期一致。利用这个相干信号合波器，我制造了一个基于热光效应的相位调制的马赫-曾德尔干涉仪(MZI)变调器。其消光比为大约7dB，工作功率为40mW。 第四，基于多模干涉波长交错滤波器(Interleaver)的研究。可以把奇数和偶数频道分开处理的波长交错滤波器是一种非常重要的光学器件。相比其他提案而言，我提案的波长交错滤波器有许多优点。首先，其操作带宽可以根据用户要求进行设计。其次，该波长交错滤波器的工作范围可以动态调节。第三，其内部各个子频道的中心波长可以同时线性化微调。这种可调谐性可以使该滤波器方便地使用在户外等恶劣的环境中。而且这个器件还有许多其他的优点，例如小型化，易集成，扩展性强和容易制造等。这个器件的制作技术可分为3个部分：波导技术，相位变调技术和Bragg光栅技术。前两个技术研究已经完成，目前正在研究SOI基板上的Bragg光栅制造技术。