陀螺仪是一种角速度传感器，它是卫星、导弹、飞机等大型运载工具中惯性导航系统的重要组成部分。光学陀螺仪利用萨格纳克(Sagnac)效应实现对角速度信号的测量，目前大型高端光学陀螺仪已经拥有良好的性能，并因其精度高、无运动部件和抗冲击性好的优点而有很大的市场占有率。在信息化、智能化时代，陀螺仪在汽车、小型飞行器和手机中的应用需求不断增加，光学陀螺仪的研究也逐渐往小型化和芯片化方向发展。众多集成光学技术中，硅光技术具有集成度高、可大批量生产和与互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容的优点，而拥有极大的竞争力和广阔的应用前景，近年来国内外涌现出了许多对硅基集成光学器件的研究。随着硅基集成光学器件性能的提升和微纳制造工艺水平的提高，硅基集成光学陀螺仪在现有技术背景下有很大的优势和研究价值。然而，对于硅基光学陀螺仪的报道仍然很少，仍有许多诸如优化波导结构和相位偏置的关键问题需要解决。
　　本文的主要研究对象是硅基集成干涉式光学陀螺仪所涉及的关键器件，包括了传感波导和耦合器件。从光学陀螺仪的理论基础出发，围绕着如何优化陀螺仪的灵敏度展开研究，提出了用于硅基干涉式光学陀螺仪的盘绕波导结构，并针对陀螺仪相位偏置和无源噪声的问题，提出了一些相应的解决方案。主要内容可概括如下：
　　(1)从光学陀螺仪实现角速度测量的基本原理出发，推导了真空中和介质中的Sagnac效应，介绍了干涉式光学陀螺仪的基本结构和相位偏置的实现方法。在光波导理论基础上，利用全矢量有限差分方法和有限时域差分法，详细讨论了硅基光波导的模场特性和耦合特性，介绍了硅光波导的工艺流程和硅光芯片的测试平台。
　　(2)提出了一种硅基集成干涉式光学陀螺仪，并通过设计盘绕波导结构来优化集成度和灵敏度，分析了其中涉及到的有源和无源器件对灵敏度的影响。通过静态实验测试结果，发现陀螺仪散粒噪声受限灵敏度可达到16.4deg/s。进一步，若降低波导传输损耗至0.4dB/cm，并增大传感波导面积，陀螺仪散粒噪声受限灵敏度可达到0.014deg/s，满足消费者级的应用需求。
　　(3)研究了硅基波导中空间模式的特性，在盘绕波导结构的基础上，提出了一种模式辅助干涉式光学陀螺仪。利用不同模式的有效折射率差，巧妙地将传输过程中引入的相位差作为陀螺仪的相位偏置，解决了相位偏置问题，避免了高速相位调制器的使用和集成。通过静态实验测试，验证了这两种模式引入的相位偏置。同时，针对此方案中波导交叉问题，提出了一种支持双模的新型交叉波导结构，通过仿真分析和实验测试对器件的性能进行表征。
　　(4)研究了硅基多端口耦合器件，提出了两种基于4×4耦合器的双Sagnac环干涉式光学陀螺仪，分别为4×4多模干涉(MMI)耦合器和4×4可重构多端口耦合器。相比于基于2×2耦合器的传统陀螺仪，4×4耦合器利用各端口之间的相位关系和两个Sagnac波导环，实现了高灵敏度的相位偏置。利用4×4可重构多端口耦合器动态可调的特性，起到了降低波导中无源噪声的作用。对器件的工作原理进行了详细介绍，理论上分析了其相对灵敏度可达到0.5。