近年来,随着互联网业务和信息技术的迅猛发展,光纤通信已经成为支撑我们快速发展的信息驱动型社会的基石之一,人们对信息的依赖程度变得越来越高,比如物联网、大数据、云计算等一些新兴业务对光通信系统也提出了更高的要求。光开关与光开关阵列是构建光通信网络的重要器件,无论是在可见光通信系统还是用于提高通信容量的模分复用（Mode division multiplexing,MDM）系统中,复杂的网络拓扑需要可靠、灵活的网络管理,而光开关与光开关阵列在光网络中起着光域优化、路由、保护以及自愈等功能,因此,研制出低功耗、高集成度、稳定性好且制备工艺简单的光开关器件至关重要。波导型光开关是目前光通信网络中应用最为广泛的光开关器件,具有结构简单、长期稳定性好等优势。目前,用于制备波导型光开关的材料主要分为无机材料和有机聚合物材料两类。与无机材料相比,有机聚合物材料具有种类繁多、制备工艺简单、成本低廉、折射率可调、易于三维集成以及无机材料所无法比拟的高热光系数和电光系数等优点。因此,利用有机聚合物材料探索和研究高性能、低功耗、小型化和集成化的热光开关器件具有重要的意义,在实现新一代全光通信网络和片上光互联技术应用中具有广阔的应用前景。本论文以有机聚合物材料为基础,利用材料的热光效应并结合有机/无机材料混合集成的方式对热光开关器件进行研究,同时以降低器件的功耗和提升光通信系统的传输能力为宗旨,分别设计出了用于可见光通信系统的532 nm处基于三角形波导的低功耗聚合物热光开关以及用于MDM系统的模式不敏感热光开关和聚合物/二氧化硅（SiO2）三维混合集成热光模式开关器件。论文的主要工作内容如下:1.对光波导模式理论以及耦合模理论进行了分析,利用有效折射率法分析了三层平板波导以及矩形波导的模式特性;并以此为基础,结合热场和热光调制理论对本论文所研究的基于马赫-增德尔干涉仪（Mach-Zehnder Interferometer,MZI）和定向耦合器结构的热光开关的工作原理进行了分析,为后续的器件结构设计、模拟优化和工艺制备奠定了理论基础。2.提出了一种工作在532 nm波长处的低功耗聚合物MZI型热光开关。采用聚合物/SiO2混合集成的方式在一定程度上提升了器件的性能,同时,引入了一种三角形波导代替传统的矩形波导,实现了功耗的进一步降低。该三角形波导相较于矩形波导,在大尺寸波导下容易实现单模传输,同时,由于三角形波导的两个斜边对光场的向上挤压作用,使电极产生的热场引起的有效折射率的变化大于矩形波导,进而证实了位于三角形波导正上方的电极在相同条件下具有更高的加热效率,从而使器件的驱动功耗更低。采用热光漂白工艺并利用间隔曝光的方式完成了三角形波导的制备,降低器件传输损耗的同时,简化了制备工艺。相比于传统的矩形波导,提出的基于三角形波导的聚合物MZI型热光开关的驱动功率降低了3.3 m W,在2.2 m W的驱动功率下实现了开关功能,开关的上升/下降时间为110/130μs。3.提出了一种基于定向耦合结构的聚合物波导MZI型模式不敏感热光开关。模式不敏感功率分配器是实现模式不敏感开关的前提和基础,针对传统MZI波导中Y分支结构对模式敏感的问题,提出了一种基于定向耦合结构的少模波导功率分配器,通过优化对称型定向耦合器的耦合间距和耦合长度,分别设计出可同时支持LP01和LP11a两种模式的双模波导功率分配器以及LP01、LP11a和LP11b三种模式的三模波导功率分配器,并利用对紫外光敏感且具有良好热学、光学稳定性的聚合物材料Epo Core和Epo Clad对器件进行了实验验证,在1550 nm波长下,所研制的两种少模波导功率分配器中的各个模式的分光比均达到了约0.5:0.5;在此基础上,进一步提出了一种基于定向耦合结构的聚合物波导MZI型模式不敏感热光开关器件,并利用聚合物材料进行了实验验证。通过在MZI的两个干涉臂上引入模式不敏感相移器,实现了LP01和LP11a两种模式的不敏感传输与调控,当对其中一个加热电极施加驱动功率时,可以同时实现两种模式在Core 1和Core 2输出端口之间的功率切换和开关。实验制备的器件总长度为30mm,驱动功率为9.0 m W,对于LP01和LP11a两种模式在C波段内的消光比分别大于17.2 d B和16.2 d B,在1550 nm波长处的消光比分别达到了17.5 d B和16.4d B,器件的开关时间为～1.30 ms。4.提出了一种基于非对称定向耦合结构的聚合物/SiO2混合波导热光模式开关,并利用石墨烯作为加热电极掩埋到聚合物光波导的内部来提高器件的加热效率,以达到降低器件功耗的目的。利用界面模型理论对石墨烯薄膜的损耗特性进行分析,提出了一种基于掩埋石墨烯薄膜的聚合物波导超宽带TM-通过（TM-pass）偏振器,具体研究了石墨烯薄膜掩埋位置和波导芯层尺寸对器件性能的影响,并理论计算了器件在TE偏振和TM偏振下的模式损耗以及波长依赖特性,同时,进一步利用聚合物材料加工工艺简单、灵活的优势,将石墨烯薄膜分别掩埋到波导芯层的表面和中心,理论和实验证明了这两种偏振器在TM偏振下具有较低的损耗,在110 nm的带宽范围内的消光比分别大于22.9 d B以及41.9d B;在此基础上,进一步提出了基于非对称定向耦合结构的聚合物/SiO2混合集成热光模式开关,并引入石墨烯作为加热电极集成到聚合物光波导的内部。器件采用聚合物/SiO2三维混合集成波导结构,结合了SiO2热导率大和聚合物材料热光系数大的优势,不仅使热光模式开关的性能得到了显著的提升,也解决了SiO2波导不易实现三维集成的难题。理论计算结果表明,该器件在C波段内实现的LP01-LP11a模式和LP01-LP11b模式的耦合效率分别大于93.4%和92.8%,消光比大于～28 d B。相比于传统金属电极的开关器件,其功耗降低了～30%,响应速度也得到了显著提高。