光场具有多个物理维度资源，包括光的波长/频率、幅度、相位、偏振、时间以及空间结构等，已经广泛应用于与光相关的各个领域。其中，在光通信领域，为进一步提升光通信系统的通信容量，与光波长维度相关的波分复用技术已被广泛使用，与空间结构相关的空分/模分复用技术也被视为一种极有前景的解决方案。传统用来操控光场的光学器件大多存在功能单一、集成度不高、可重构和可调谐性不足等缺点，不利于光通信系统中的灵活管理。相比之下，近年来，新兴的硅基光子集成技术快速发展，以其与CMOS兼容、高集成度等突出优点引起了广泛关注，为光与电的真正融合提供了新的平台和契机，大大促进了光电子集成技术的发展。本文主要研究利用光子集成器件对光波长、常规波导模式和结构光场等维度的调控，具体内容如下：
　　(1)理论和实验研究了硅基光子集成器件对波长/频率维度的调控。①理论和实验研究了基于法布里-珀罗(Fabry–Pérot，FP)谐振腔的可调谐梳状滤波器，其中通过调控萨格纳克(Sagnac)环的反射和透射系数，实现对滤波器波长和带宽的调控。②通过控制微环谐振腔与FP腔之间的耦合状态，理论和实验实现了片上法诺(Fano)共振和电磁诱导透明(Electromagnetically Induced Transparency，EIT)谱型。③实验制备了多功能处理器，通过集成两个16通道阵列波导光栅和16个可全场调控的马赫-曾德尔干涉仪结构(Mach-Zehnder Interferometer，MZI)，成功实现了间隔可调的可编程滤波器和16通道的可重构上传下载功能，并基于该器件演示了高速信号的传输实验验证。④通过借鉴传统电子FPGA(Field Programmable Gate Array)的概念，设计并制备了光“FPGA”结构，实验验证了该器件的可编程能力，包括构建各种滤波器、延时线和光开关等。
　　(2)理论和实验研究了硅基集成器件对常规波导模式的调控。①研制了基于微环谐振腔辅助的高阶模式复用器。②将Fano共振的概念引入到模式领域，提出了多模Fano共振，理论和实验实现了两模式的Fano共振，并将该器件应用于低功耗的模式光交换。③实验制备了片上中红外波段的4模式(解)复用器，并进行了片上模分复用高速通信实验。
　　(3)理论和实验研究了有源和无源集成器件对结构光场的调控。①基于简洁的环形光栅结构，理论和实验研究了高阶涡旋光的检测。②通过特殊设计凹槽波导结构，理论提出并仿真验证了基于平面硅基波导的涡旋光产生器和复用器。③理论和实验研究了高速直调的集成矢量光激光器。基于有源的微环谐振腔结构，通过设计微环腔顶部和侧壁的二阶光栅结构实现了高边模抑制比的单模激射，该激射模式为矢量结构光场。此外，制备的直调激光器速率可达20Gbits/s，并应用于2km光纤矢量本征模传输实验。同时，提出了同心环谐振腔结构，可应用于矢量模式高速复用通信。④基于硅基光子集成平台，设计制备了多维度光发射阵列，实现对光场空间幅度、相位、偏振三个维度的动态独立调控。制备了4×4光发射阵列，通过对超过70个电极控制单元的调控，实验测得了各种复杂光场的产生结果，包括±1和±2阶涡旋光、高阶邦加球上8种矢量光场以及更为复杂的矢量涡旋光。