光学元件的小型化与集成化一直是光场调控和集成光学领域的研究重点与难点之一。光学人工微结构具有在亚波长尺度上灵活调控光场振幅、偏振、相位、频率等属性的能力。通过与片上光波导或微腔集成，人工微结构可以为实现更紧凑的片上集成光子学器件以及更精确、更丰富的光场调控提供新的解决方案和更多的可能性。本文依据片上集成人工微结构在不同环节中调控的光场类型的差异，将其分成三类进行了讨论。介绍了基于不同设计原理的片上集成人工微结构在自由空间光入射耦合、波导模式面内调控以及离片辐射场调控方向的研究进展，并对该领域的部分新兴方向进行了展望。

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。

提出一种基于绝缘体上硅的具有超高形状因子的光学平顶滤波器方案。该方案采用跑道型微环谐振器（RMRR）辅助非对称马赫-曾德尔干涉仪（MZI）结构，可实现的3 dB带宽为1.94 nm，相应的形状因子1（3 dB带宽与通带内功率下降10 dB时的通带宽度之比）和形状因子2（3 dB带宽与通带内功率下降15 dB时的通带宽度之比）分别为0.96和0.94，纹波因数（通带中最大功率与最小功率的比值）为2.40 dB。此外，分析了由RMRR引入的相移对该平顶滤波器性能的影响，并实验验证了通过调节施加在RMRR上的电压可以有效地调控其输出谱。该方案具有形状因子高、工艺复杂度低、体积小、质量轻、功耗低等优点，可广泛应用于高速光通信网络中。

提出一种具有模式保持功能的片上模式分离器方案。该方案基于多模干涉耦合器（MMI），通过在MMI多模区加入微型热电极，并通过合理设计热电极的位置和精确控制热电极的加热温度，实现TE0、TE1和TE2三种模式的分离，其插入损耗均低于1.06 dB，模式串扰均低于-15.38 dB。该方案具有模式分离数量多和可扩展的优势，可被广泛用于信号处理系统和通信系统中。

提出了一种基于级联非对称Y分支的紧凑、宽带、高效的LP₀₁-LP_11a模式转换器。制作的聚合物波导模式转换器具有1.5 mm×14.0 μm的紧凑尺寸，对于C+L波段的x偏振和y偏振光，其模式转换效率大于98%，串扰小于-17.5 dB，插入损耗低于5.8 dB。所提出的模式转换器可以应用在宽带模分复用传输系统中。

模式转换器承担着波导基模到高阶模的转换任务，是片上多模光传输、模分复用传输的重要器件。基于薄膜铌酸锂平台，提出一种利用V形硅阵列的薄膜铌酸锂波导模式转换器，转换结构主要包括沿光传输方向排布的V形硅阵列，位于薄膜铌酸锂波导顶部。基于上述结构进行详细的设计与优化分析，在中心波长为1550 nm、转换长度仅为11 μm的情况下，实现了输入TE₀模到输出TE₁模的高效转换。模式转换效率为96.8%，串扰为-28.6 dB，插入损耗为0.78 dB。进一步对转换结构进行横向扩展，实现了输入TE₀模到输出TE₂模的高效转换。模式转换效率为91.3%，串扰为-14.3 dB，插入损耗为1 dB。若继续扩展，可获得其他高阶模。本器件及设计方法有望在薄膜铌酸锂波导多模光传输方向发挥优势，推动薄膜铌酸锂光子集成器件及回路的发展。

得益于飞秒激光直写技术的穿透式真三维改性加工能力，多种介质内任意三维路径及截面形状的光波导得以实现并得到了重要应用。本文围绕飞秒激光直写光波导的机理及基本类型，综述了三维光波导器件在光通信、集成量子光学、拓扑光子学、天文光子学以及光学传感等领域的应用。从三维光子芯片的应用需求入手，总结了飞秒激光直写技术在低损耗、任意截面、大纵深直写和可重构三维波导制备中面临的挑战，并展望了飞秒激光直写三维光波导的未来发展趋势。

光学神经网络是区别于冯·诺依曼计算架构的一种高性能新型计算范式，具有低延时、低功耗、大带宽以及并行信号处理等优势。片上集成是光学神经网络微型化发展的一种典型方式，近年来片上集成光学神经网络获得了学术界及工业界的广泛关注。对基于不同计算单元结构的片上集成光学神经网络的相关研究工作进行了梳理，并分析了其设计原理、实现方法及系统架构特征。同时结合国内外最新研究进展，进一步分析了片上集成光学神经网络在计算单元大规模拓展、可重构、非线性运算和实用化等方面面临的挑战及其未来发展趋势。