随着物联网、5G通信、人工智能和高性能计算等信息技术的兴起,高速率、大容量、低损耗的光子集成回路（PIC）已成为各类新型信息系统的技术基础,各种功能光子集成器件（PIDs）不断涌现。PIDs功能的拓展和性能的提高与波导材料及结构密切相关。周期电磁结构（PEMS）波导具有结构设计灵活、材料选择多样、电磁操控能力强等优势,为小尺寸、高性能、大规模集成PIDs的实现提供了新的技术途径。论文将PEMS波导和先进波导材料相结合,研究紧凑型多功能偏振控制器和片上集成波导激光器。首先,论文阐述了PEMS波导的基本工作原理,推导了耦合模方程的一般形式并给出了重要参数的解析式;分析讨论了亚波长PEMS波导等效折射率及模式特性;介绍了常用的数值分析方法,为后续PEMS-PIDs的设计和研究工作奠定基础。其次,论文针对绝缘体上硅材料平台中偏振敏感问题展开研究,提出并优化设计了三种新型PEMS偏振控制器。基于水平槽波导光栅辅助反向耦合器结构的TM通过/TE功分偏振分束器长14μm,中心波长处TE和TM模式的消光比分别为38.4 dB和20.9 dB;基于三波导混合等离子体光栅辅助反向耦合器结构的TE模式起偏器长16.48μm,工作带宽为270 nm;基于交替排列亚波长光栅结构的TM模式起偏器长5.2μm,插入损耗低于0.32dB消光比高于20 dB的带宽为155 nm。与现有光子集成偏振控制器方案相比,上述三种PEMS偏振控制器方案优势明显。然后,论文研究了基于碳系材料的PEMS偏振控制器。提出了一种基于绝缘体上金刚石材料平台的亚波长光栅辅助定向耦合器型偏振分束器,器件长22.2μm,工作带宽覆盖整个O波段;提出了一种基于石墨烯/SiO2多层膜堆栈结构的PEMS超构材料TE模式起偏器,其中心波长处的插入损耗和消光比分别为0.228 dB和15.99 dB,工作带宽为60 nm。接着,论文提出了一种片上分布式布拉格反射铒镱共掺Al2O3波导激光器技术方案,由弯曲增益波导和对称排列的布拉格光栅构成,具有结构紧凑、制备工艺简单的优势;采用磁控溅射法制备了铒镱共掺Al2O3薄膜,探究了不同退火温度对薄膜的影响,研究表明,退火温度为850℃时,薄膜的表面形貌、结晶程度、晶格结构和光致发光强度最佳。最后对论文的研究内容和结论进行总结,并对后续工作进行展望。