随着现代社会不断推进信息化进程，社会对信息的需求呈现爆炸式增长，同时对信息传递的速率和功耗提出了更高的要求，即Tbit/s级的传输速率和fJ/bit级的功率消耗。高速、大带宽、低功耗的要求使传统电学信息的交换和传递面临着巨大挑战。伴随着集成电路、计算机技术、光通信技术的发展，光数据传输和光数据交换作为传统电传输和交换的可能替代方案逐步走进人们的视野，应用到社会和生活中的许多方面。硅基光电子具有高集成度、抗电磁干扰等优势，与传统CMOS(complementary metal oxide semiconductor)工艺相兼容，易实现高速率、低功耗、低成本的功能器件和集成系统，被认为是光通信和光互连中最有潜力的技术之一。近年来，硅基光电子器件发展迅速，包括激光器、波导器件、调制器、光开关、片上集成系统等都取得了长足进展。其中，对波长的应用使片上光信号的传输速率和处理速率获得成倍的增长，这使得波分复用器、滤波器等波长器件的研究备受业内关注。　　本文选题面向远距通信、短距通信和无线通信中的波长控制应用，选定并研究了多种基于SOI的波长控制器件，系统地研究了SOI(silicon on insulator)波长器件的工作原理和设计方法，全面展开了对包含阵列波导光栅、刻蚀衍射光栅和三种组合滤波器(RODAM、微波滤波器、高速波长可调激光器外腔)的研究，主要工作成果陈述如下。　　本论文系统地研究了基于亚微米SOI波导的阵列波导光栅，提出了多种优化设计，实现了多通道间隔、宽带宽、低串扰、性能稳定的AWG器件。在准确仿真、计算AWG器件参数的基础上，从两方面对AWG的串扰性能进行优化:(1)使用快速收敛的抛物线楔形波导连接自由传输区域和单模波导区域，增大带宽、降低损耗的同时降低端口间光串扰。与采用其他类型楔形波导的AWG相比，串扰最多能够降低7.1dB，使器件整体性能达到了与复杂工艺制作的AWG相比拟的水平。(2)提出使用补偿型阵列波导，规避弯曲波导制作误差引起的相位偏移。在CMOS180 nm工艺线上制作了一系列对照器件，从实验上证明了补偿型阵列波导在减小器件串扰上的作用。结合多种优化设计，我们使用一步刻蚀的简单工艺实现了8×8循环型阵列波导光栅，其信道间隔为400 GHz，损耗为2.4 dB，串扰达到-17.6 dB～-25.1 dB，3 dB带宽达到2.2 nm，占波长间隔的70％左右。同时，我们可以在CMOS线工艺条件下制作多通道间隔、性能稳定的AWG，以200 GHz的AWG为例，其插入损耗可达2.1 dB～4.0 dB，串扰约为-20 dB。　　系统地研究了基于亚微米SOI波导的刻蚀衍射光栅，提出了多种优化设计，实现了多通道间隔、低损耗、低串扰、性能稳定的EDG器件。在准确仿真、计算EDG器件参数的基础上，从两方面对EDG器件进行了优化:(1)提出输出位置多点迭代优化的思想，利用该优化方法设计和制作了端口和光栅均为非均匀的EDG。实验证明多点优化的EDG具有更小的损耗和串扰、更加稳定的传输谱线。(2)使用布拉格光栅对EDG反射面进行优化，获得高反射效率的界面，降低器件损耗。使用布拉格光栅的EDG与不使用光栅的器件和使用全内反射界面的EDG相比，损耗分别降低5 dB和2 dB左右。结合多种优化设计，在CMOS条件和实验室E-beam条件下均制作出了性能优良的刻蚀衍射光栅器件，适用于O波段和C波段，带宽为2.4 nm至20nm，最优的损耗性能低至0.9 dB～1.4 dB，最优的串扰小于-40dB，在损耗达到世界一流水平的同时，串扰降低可达10 dB。　　针对不同应用场合，本文提出并实现或验证了多种组合滤波器件。(1)提出、设计、制作了多波长可重构光分插复用器，实现了对间隔400 GHz的8个波长分波、合波、选择滤过的功能。该SOI RODAM集成度高、带宽配置灵活，实现同时上下路多个波长。(2)实现了双通带、带宽1 GHz～2 GHz的可调微波滤波器，对微波信号具备滤波和倍频两种功能。当作为微波滤波器使用时，对应微波频率的变化范围是6.6 GHz～14.0 GHz;用作倍频器，倍频微波的可调范围为3.3 GHz～7.0 GHz。(3)提出并设计基于等离子体色散效应的高速波长可调激光器外腔，从理论上模拟验证方案可行性，计算得出外谐振腔的总损耗小于10dB，低于半导体光放大器的增益值，有望实现高速硅基波长可调激光器。