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光网络向着高速、大容量、智能化的全光网络方向发展。可重构的光插分复用器(ROADM)是全光网络的关键设备。集成化的ROADM具有成本低、稳定性高、性能优越的特点。硅基纳米线波导具有结构紧凑、集成度高、性能优越、制作工艺与COMS工艺兼容的特点，是实现大规模集成光路芯片同时也是实现集成化ROADM的理想平台。
本论文的主要工作是对基于硅纳米线波导环形谐振腔结构的集成化ROADM器件进行的理论设计和实验研究。
硅纳米线波导的研究：利用三维BPM算法分别计算了准TE偏振态下和准TM偏振态下的纳米线波导的单模工作区域；对纳米线波导的偏振特性进行了分析，并用三维BPM算法模拟设计了偏振分束器；对波导的传输损耗进行了理论分析，得到了传输损耗与波导侧壁粗糙度的关系；用保角变换方法和三维BPM算法对波导的弯曲损耗进行了理论分析，得到弯曲半径的最优值为5μm左右；对波导与光纤的祸合损耗进行了理论分析，用三维FDTD算法对倒锥形耦合结构的模式失配损耗进行了模拟计算，用EIM和二维FDTD算法相结合的方法对模式变换损耗进行了模拟计算；用三维FDTD算法对交叉波导结构的损耗和串扰进行了计算，并对交叉波导结构进行了优化。
环形谐振腔的研究：利用散射矩阵方法对单环和双环形谐振腔上下载滤波器的滤波性能进行了理论分析；用三维FDTD算法分别计算了环形谐振腔与直波导的耦合系数以及两个互耦合的环形谐振腔之间的耦合系数随波长、偏振态、耦合结构的变化情况；分析了在不同损耗和耦合系数情况下的谐振腔滤波性能的变化情况；用三维BPM算法分析并设计了谐振波长偏振无关的环形谐振腔的波导结构；设计了具有热光调谐功能的波导结构；设计了具有不同耦合结构单环形谐振腔滤波器和双环形谐振腔滤波器；根据理论分析结果设计了基于单环形谐振腔的4路光学下载解复用器和基于热可调谐单环形谐振腔结构的4路ROADM器件。
硅基纳米线波导器件的制作和测试：用深紫外光刻技术在SOI晶片上制作了基于硅基纳米线波导的不同器件结构，包括直波导、低耦合损耗的倒锥形耦合结构、谐振波长偏振无关的谐振腔滤波器、偏振分束器、单环形谐振腔滤波器、双环形谐振腔滤波器、基于单环形谐振腔的4路光下载解复用器、以及基于热可调谐单环形谐振腔的4路ROADM器件，并对这些器件的性能进行了测试和分析。
实现了具有低传输损耗、低端面耦合损耗的硅纳米线直波导结构。直波导的传输损耗为3dB/cm，端面耦合损耗小于3.3dB/facet。
实现了谐振波长偏振无关的纳米线波导环形谐振腔结构。在1550nm波段谐振波长的最大偏振偏移量为0.13nm，最小为0.04nm，自由谱范围达到16.7nm，该值在已报道的谐振波长偏振无关的谐振腔中是最大的。
偏振分束器的偏振消光比为10dB，分束带宽为10nm。
对不同结构的对称单环形谐振腔上下载滤波器进行了测试。获得了滤波性能随耦合结构变化的趋势，并在Gap=400nm处获得了与理论分析较为一致的实验结果。
对不同结构的对称双环环形谐振腔上下载滤波器进行了测试。获得了其滤波性能随耦合结构变化的趋势。在实验中获得了顶部平坦的双环滤波光谱。
对4路光下载解复用器进行了测试，器件的有效面积为1000×100μm2，最小插损为6.72dB，谐振腔下载损耗为3.54dB-4.44dB，最大消光比为5.61dB，信道间隔为1.67nm时信道间串扰为-10dB。
对4路ROADM器件进行了测试，器件的有效面积为1000×500μm2，下载信号的3dB带宽分别为0.402nm、0.533nm、0.554nm和0.555nm，最小下载损耗为3.98dB，最小插入损耗为10.7dB，波长调谐范围覆盖整个17nm的自由谱范围，平均调节功耗为6.1mW/nm；输出端口的最大消光比为14dB；上载信号的3dB带宽分别为0.453 nm、0.571 nm、0.533 nm和0.593 nm；下载端口的最大消光比为9.6dB；ROADM的响应速率为40.8μs。首次实现了基于硅基纳米线波导环形谐振腔结构的信道间隔为100GHz、响应速率亚毫秒量级的低功耗、高灵活性的集成化4路ROADM器件，器件的整体性能指标达到国际先进水平。
在ROADM器件测试中获得了高Q值的谐振腔响应光谱，并首次观察到了热旋光效应现象。