飞秒激光直写技术因具有真三维直写、加工精度高和无掩模等优点,在光波导集成芯片制备等领域发挥着重要作用。截止目前,基于飞秒激光直写的玻璃波导已在量子光学、天文光子学、拓扑光子学和非厄米光子学等领域中得到充分展示。在光波导器件向着高集成度、高性能和多功能化方向发展的过程中,尽管已经取得了巨大的进步,但受到波导性能不够高的限制,这些波导集成系统的性能难以得到进一步提升。具体地,在高性能偏振编码光子芯片中,理想偏振器件要求波导的双折射强度和光轴角度能按需任意控制,然而目前的波导加工技术还未能达到这一要求。在大规模集成光子芯片中,要求各单元器件能工作在理想状态以提升系统性能,然而加工误差的存在使得如定向耦合器等器件的工作过程发生变化,最终导致系统性能随器件级联程度的上升而指数下降。在非厄米光子芯片中,要求波导损耗能在较大范围内被任意控制,以便引入波导系统所需的非厄米度,这对波导损耗控制技术提出了新的要求。综上,在未来的光波导集成芯片发展中,高性能和多功能是波导集成器件发展的一个重要趋势,而器件的功能性往往与波导各种基本性质相关。因此实现光波导各种基本性质的任意控制以提升波导性能,可以进一步促进波导集成芯片的发展。针对上述问题,我们开发了可以实现波导双折射、耦合系数和传输损耗任意控制的多种飞秒激光加工技术,并展示了高性能波导的相关应用。具体地,我们提出了一种光束整形技术,实现了超低双折射圆形波导的制备,实现了双折射强度和光轴角度可任意控制的椭圆形波导的制备,为片上理想偏振编码器件的实现提供了解决方案。提出了一种利用飞秒激光二次直写重构波导耦合系数的技术,实现了定向耦合器分束比的全周期重置,为高保真度高性能芯片的实现提供了解决方案。通过对耦合间距的控制实现了波导间耦合系数的控制,实现了基于非阿贝尔编织的片上光子器件和高保真度光量子逻辑门。实现了波导损耗大小和分布的任意控制,并展示了其在动态环绕奇异点非厄米系统中的应用,首次验证了多能级系统中的手性传输特性。这些波导加工技术极大地提升了波导的性能,对进一步增加波导集成系统的集成度和功能性具有重要意义。本论文的主要工作和创新点如下:1、为满足波导性质可被精细控制以实现高性能波导制备的需要,搭建了一套可对波导损耗、双折射和波导间耦合系数任意控制的光波导集成芯片加工系统;搭建了可用于测试波导基本性质和波导器件性能的多套测试系统。为高性能波导及器件的制备提供了实验基础。2、在波导损耗控制方面:为满足厄米系统中对低损耗波导的需求,通过对激光重复频率、扫描速度和脉冲能量等参数的优化,在硼硅酸盐玻璃中实现了低传输损耗（0.2 d B/cm）波导的制备。为满足非厄米系统中对波导损耗在大范围内任意可控的需求,通过在波导中植入损耗量可控和间距可控的过度曝光散射点,实现了传输损耗在0.2 d B/cm到400 d B/cm任意可控波导的制备。此外,利用损耗任意可控的波导制备了一种可动态环绕多奇异点的非厄米器件,首次验证了动态环绕多个奇异点系统中的手性传输现象。3、在波导耦合系数控制方面:针对器件存在加工误差的问题,一方面,我们提出了一种利用飞秒激光二次直写重构耦合区波导横向尺寸,进而重置波导间耦合系数的技术,实现了波导间耦合系数从0.47 rad/mm到2.1 rad/mm的任意控制。利用该技术实现了对存在加工误差的定向耦合器的修复,并进一步实现了定向耦合器分束比从0:100到100:0的任意重置,该技术为高保真度高性能光波导芯片的实现提供了一种解决方案。另一方面,通过对耦合间距的控制实现了波导间耦合系数的控制,实现了基于非阿贝尔编织的片上光子器件和光量子逻辑门的制备,这种受拓扑保护的光子器件具有极高的保真度,为高性能光波导芯片的实现提供了另一个解决方案。4、在波导双折射控制方面:针对片上理想偏振器件制备困难的问题,提出了一种柱透镜-狭缝整形技术,实现了具有超低双折射（1.49×10-6）圆形截面光波导的制备,并基于两根圆形截面波导实现了波导双折射强度和光轴角度分别在0到1.7×10-5范围内和0到π范围内任意可控的椭圆形波导的制备。基于这种双折射任意控制方法,分别制备了高性能四分之一波片、二分之一波片、偏振无关定向耦合器、偏振敏感定向耦合器和偏振分束器等各种片上偏振器件。上述波导双折射控制技术和基础偏振器件的展示,为片上理想偏振编码集成芯片提供了解决方案。上述对波导损耗、耦合系数和双折射任意控制的加工技术以及应用展示,为高性能集成芯片的实现提供了可能。各种控制技术除可单独使用外,还可组合使用以实现玻璃波导多种性质的同时控制,这对未来增加芯片的整体性能具有重要意义。