集成光子芯片可以把多种器件集成在一个芯片之上,具有尺寸小、功耗低、集成度高等优势。混合集成光开关作为其重要的核心组成部分,不但起到开关保护的作用,而且可以实现不同材料中的光路切换,实现多材料兼容的混合集成芯片。光开关需要器件具备低功耗、响应速度快、性能稳定、大容量、低延迟等要求。功耗是光开关能否实用化的重要指标,聚合物光开关在功耗方面具备独特的优势,因此本论文中,主要研究聚合物混合集成的低功耗光开关器件。结构方面,研究了聚合物/二氧化硅（Si O2）的多维混合集成MZI（Mach-Zehnder Interferometer）型热光开关器件,解决了平面芯片尺寸受限的问题,通过器件混合集成增加芯片维度,实现了光子器件的多层互联结构,提高了芯片的集成度。同时利用聚合物材料热光系数高,以及聚合物和无机材料相反的热光系数等特性,实现了不同材料的优势互补,降低了器件功耗。材料方面,利用二维石墨烯（Graphene）材料优异的光学特性,研究了石墨烯材料在聚合物/Si O2三维（3D）混合集成热光开关中的应用。为了增加器件材料的热导率,进一步降低开关时间和功耗,研究了基于石墨烯掺杂的聚合物/Si O2热光开关器件,从材料角度提升复合材料热导率,降低开关功耗和时间。从控制方式上,为实现全光通信网络的目标,基于热光效应原理,研究了纳米金掺杂的聚合物/Si O2混合集成光控光开关器件,主要工作如下:1.对聚合物/玻璃3D混合集成热光开关器件进行了研究,在垂直方向上实现玻璃波导和聚合物波导之间的高效耦合。利用离子交换技术制备下层的玻璃波导,这种方法可以使波导表面光滑平整,提高了平行波导之间的耦合效率。利用聚合物材料热光系数高和无机材料热导率高的优势,降低了器件的功耗和响应时间。利用COMSOL（COMSOL Multiphysics Modeling）软件解决了三维场中玻璃波导（渐变折射率）和聚合物波导（阶跃折射率）的耦合问题。当窗口尺寸为3μm,电极宽度为8μm,渐变波导中折射率差值为0.022时,波导间的耦合效率高达99.82%。有空气槽和无空气槽结构热光开关的功耗分别为3.74 m W和5.16m W,两种结构的上升时间分别为140.6μs和128.8μs,下降时间分别为256.3μs和249.5μs。2.引入二维材料,对基于石墨烯薄层的混合集成热光开关进行了研究,利用石墨烯材料热导率高、宽带吸收等光学特性,提高了器件的性能。聚合物芯层的制备方法是在无机凹槽中旋涂聚合物芯层材料,从而获得表面平整的光波导结构。这有利于聚合物材料和无机材料相互兼容,同时也便于石墨烯薄膜的转移。本文首先研究了石墨烯薄膜对波导中基模的光吸收作用,然后对热光开关器件进行了设计和优化。相比于传统的顶电极结构,当聚合物芯层和电极的水平距离为4μm,芯层宽度为2μm,电极长度为1 cm,输入光波长为1550 nm时,该热光开关器件的功耗降低了41.43%,上升时间为64.5μs,下降时间为175μs。3.从提升材料热导率的角度,对石墨烯掺杂聚合物/Si O2混合集成热光开关进行了研究。本设计解决了在光波导芯层上转移石墨烯层时,易被破坏,表面不平整等问题。将石墨烯掺杂聚合物复合材料作为器件包层材料,提高了复合材料的热导率,降低了热光开关的响应时间和开关功耗。利用Bruggeman模型和Lewis-Nielsen模型对复合材料的导热系数进行了分析,当石墨烯的体积比为0.236 vol.%,输入光波长为1550 nm时,该复合材料的热导率提高了133.16%,热光开关的功耗为7.68 m W,上升时间为40μs,下降时间为80μs。4.从控制方法的角度,基于热光效应和纳米金材料光热效应原理,研究了纳米金掺杂聚合物/Si O2混合集成MZI型光控光开关器件。首先,通过制备纳米金掺杂光波导器件,对纳米金材料的光热效应进行了分析,测试了纳米金材料对器件损耗的影响。然后,分析了基于纳米金掺杂材料的光控光开关器件（包括基模光控光开关和一阶模式光控光开关）,利用COMSOL的多物理场（光-热-光）模型分析器件光热效应,优化器件性能。对于基模光开关,当纳米粒子半径为40nm,波长为650 nm,聚合物薄层厚度为0.5μm,粒子间距为1μm时,E1x 1模式和E1y 1模式的损耗分别为0.29 d B/mm和0.33 d B/mm,功耗为2.05 m W,上升（下降）时间为17.3μs（106.9μs）。对于一阶模式光控光开关,当纳米金粒子半径为10 nm,波长为532 nm,聚合物芯层厚度为4μm时,E1x 2模和E1y 2模的损耗分别为1.07 d B/mm和3.6 d B/mm,功耗为0.5 m W,上升（下降）时间为10.2μs（74.9μs）。