设计并制备了一种基于树形结构的1×8硅基热光开关，该热光开关由1个2×2和6个1×2马赫-曾德尔干涉仪的基本单元结构组成。该1×8硅基热光开关采用与互补金属氧化物半导体兼容的工艺制造。通过氮化钛加热器来改变波导的温度，利用硅的热光效应实现光开关功能。实验结果表明：在1550 nm工作波长下，该热光开关的平均片上插入损耗约为1.1 dB；所有输出端口的串扰都小于-23.6 dB；开关响应时间小于60 μs。

针对雪崩光电二极管(Si-APD)所加偏压需要随环境温度作调整, 且偏压电路所需的低纹波低噪声等因素, 构建了以Royer振荡器和微控制器为核心的偏压电路。该Si-APD偏压电路以BL8032型同步降压控制器作为Royer振荡器的输入电源, 以MS5221M型DAC作为该输入电源的调整单元, 以AD8606型集成运放和AD7980型ADC作为Royer振荡器输出电压采样单元, 以STM32F103TBU6型微控制器作为计算与时序控制单元。本偏压电路不仅具有温度自适应性, 而且具有低纹波、低噪声、低功耗和电气安全隔离的特点, 能在9~36 VDC宽输入电压范围和-40~70 ℃环境下良好工作。

为了解决传统T型偏置器(Bias-T)在硅基高速调制器测试过程中, 因直流(DC)源导通/截止或者链路产生热插拔时容易导致高速信号源出现不可逆的损坏问题, 首先分析了问题产生的原因和常规解决方法的优缺点, 然后设计了一种用于硅基高速调制器测试的有源Bias-T电路。该电路在传统Bias-T基础上利用微波放大器芯片中晶体管的特性来隔离直流源在馈电导通/截止或者热插拔时产生的冲击电压。最后, 对有源Bias-T电路进行了仿真设计和测试。测试结果表明: 该电路带宽大于25 GHz, 脉冲电压为±0.055 V左右, 消除了信号源设备损坏的风险。

随着智能时代的到来, 磁场传感器已经广泛应用于移动设备中, 为用户提供定位和导航等服务。目前, 基于霍尔效应的磁场传感器和基于磁性材料的磁阻式传感器是人们普遍采用的 2种磁场检测传感器。基于霍尔效应的磁场传感器的优点是成本低, 不需要外加磁性材料, 且制作工艺和互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容。这种传感器的工作范围一般为 10 μT~1 T, 并可以通过增加功耗的方式来提高分辨力。磁阻式磁场传感器拥有较高的分辨力和较宽的工作范围(0.1 nT~1 T), 其性能主要取决于磁性材料。除了以上 2种方式外, 由硅基微机电系统(MEMS)谐振器构成的谐振式磁场传感器利用洛伦兹力对磁场的依赖性实现了对磁场的检测, 具有体积小、功耗低、性能优异且与 CMOS工艺兼容等优点, 近年来受到研究人员的广泛关注。本文回顾了由 MEMS硅基谐振器构成的磁场传感器的最新发展动态和性能提升方法, 并总结了当前存在的关键挑战和未来机遇。

基于150 mm 0.35 μm CMOS工艺，利用Silvaco TCAD软件，针对50 μm厚硅基上NMOS与PMOS器件、多晶硅-介电层-多晶硅 (PIP)电容和N+型多晶硅电阻，在单轴状态不同弯曲半径下，仿真了压缩与拉伸对器件电学参数变化的影响程度。结果表明，单轴拉伸与压缩弯曲使NMOS的阈值电压最大漂移0.46 mV，使PMOS阈值电压最大漂移0.33 mV。漏极电流随变形量线性变化，NMOS压缩时系数为-0.132 95，NMOS拉伸时系数为0.006 01。PMOS拉伸时系数为-0.104 47，PMOS压缩时系数为-0.110 7。电阻阻值随变形量呈线性变化，当掺杂浓度分别为1×1019，2×1019，3×1019，4×1019，5×1019时，系数分别为247，498，766，1 016，1 301。电容最大变化值和初始值不超过0.5%，结论归纳为无失配影响。这些结果与实验吻合，验证了模型的正确性，为研制降低退化的柔性硅基集成电路打下基础。

硅基微环谐振器由于其优异的光谱选择性、紧凑的占地面积和低功耗特性，被大量应用于光子集成领域。但是，由制造误差和硅基器件高热敏性引起的微环谐振波长偏移会导致工作状态不稳定，在实际应用中需要实现相应的波长锁定方案。提出了一种基于差分进化和数字微扰的微环波长锁定系统，以输出光功率为监测变量，在全局搜索阶段基于差分进化算法搜索最佳加热功率来定位目标信号波长，在局部锁定阶段基于数字微扰算法解调出误差信号，据此来增减加热功率以消除环境温度波动干扰。经过理论推导和实验验证，发现提出的差分进化算法搜索最佳加热功率的速度比传统的逐步扫描方式快4倍左右，实验验证了在400 s内、在环境温度变化5 ℃条件下微环谐振波长的稳定锁定。

基于伴随优化设计算法逆向设计了一种高集成度硅基分模器。通过优化设计得到横电模TE₀和TE₁双模分模器的尺寸仅为5.5 μm×4 μm，其可在不改变模阶数的情况下实现模式高效分离。理论结果显示：当输入TE₀模式时，中心波长处的插入损耗和串扰分别为0.14 dB和-23.8 dB；当输入TE₁模式时，插入损耗和串扰分别为0.48 dB和-22.45 dB；工作带宽覆盖150 nm时，TE₀和TE₁模式的插入损耗分别低于0.44 dB和1.16 dB。基于全矢量三维有限时域差分法分析了±15 nm制备容差，两种模式的插入损耗低于0.79 dB，串扰低于-18.37 dB。所提出的紧凑型硅基分模器可应用于片上模分复用系统，为大容量片上光通信和光互联提供可行器件。

硅基调制器具有体积小、功耗低、易集成等优势，但相较于铌酸锂调制器，线性度通常较差，从而限制了其在光载无线等通信系统中的性能。提出一种增强型最大比例混合接收机（EMRC-Rx），用以补偿硅基调制器对无源光接入网络带来的性能下降缺点。EMRC-Rx综合利用直接检测机（DD-Rx）和轻相干检测机（Lite CO-Rx）的优势，借助两种接收方式的最大信噪比占比，可以显著提升接收机的灵敏度，进而解决硅基调制器低线性度导致的系统性能下降问题。实验结果表明，当误码率高于KP4-FEC阈值1.0×10^-4时，相较于DD-Rx和Lite CO-Rx，EMRC-Rx的接收灵敏度分别提升5.5 dB和8.8 dB，误差矢量幅度（EVM）分别提升32.5%和41.1%，系统性能明显得到改善。通过进一步与铌酸锂调制器进行对比发现，相比采用铌酸锂调制器的Lite CO-Rx和DD-Rx，基于硅基调制器的EMRC-Rx的接收灵敏度分别提升3.5 dB和7.9 dB，且可取得与铌酸锂调制器中MRC-Rx接近的系统性能，验证了EMRC-Rx对硅基调制器低线性度带入的性能劣化的补偿效果。本工作对在5G时代利用硅基调制器构建高可靠、低成本的光子集成接入网具有指导意义。

基于CMOS工艺制备了空穴触发的Si基雪崩探测器（APD），基于不同工作温度下器件的击穿特性，建立空穴触发的雪崩器件的击穿效应模型。根据雪崩击穿模型和击穿电压测试结果，拟合曲线得到击穿电场与温度的关系参数（dE/dT），器件在250~320 K区间内，击穿电压与温度是正温度系数，器件发生雪崩击穿为主，dV/dT=23.3 mV/K，其值是由倍增区宽度以及载流子碰撞电离系数决定的。在50~140 K工作温度下，击穿电压是负温度系数，器件发生隧道击穿，dV/dT=-58.2 mV/K，其值主要受雪崩区电场的空间延伸和峰值电场两方面因素的影响。