随着现代光通信技术的快速发展,人们对光通信系统的容量也提出了更高的要求。在片上光通信领域,全光信号处理和光电子集成器件必然成为未来的主要发展方向。集成器件具有尺寸小、成本低和更好的系统稳定性等优点。近年来,随着片上光通信技术的蓬勃发展,硅基的光开关、调制器、解调器、复用器等光信号处理器件得到了长足的发展。但是,随着硅基光器件的尺寸越来越小和系统集成度越来越高,片上集成器件的功耗问题愈发严重;除此之外,光开关作为片上光通信系统中的关键组成部分,往往只能支持一种模式光源的应用场景,这样就大大降低了片上光通信系统的设计灵活性。本文从这两个科学问题出发,分析并提出了一种基于相变材料的3d B定向耦合器分光比优化方案和基于相变材料的同时支持TE模式和TM模式的双模式非易失性光开关,并对器件进行了模拟仿真。全文的研究内容和主要工作可以概括为以下几个方面:1.首先研究了VO₂、Ge₂Sb₂Te₅、Ge₁Sb₂Te₄和Ge₂Sb₂Se₄Te₁等典型相变材料的光学特性。对比这些材料的相变条件、折射率和消光系数等性能参数后,选择了具有高品质因数的GSST（Ge₂Sb₂Se₄Te₁）来优化定向耦合器分光比以及设计双模式的非易失性光开关。2.介绍了双波导和三波导的模式耦合理论。提出一种基于相变材料的3d B定向耦合器设计方案,并从模式耦合理论出发,用数学推导的方法分析了晶态GSST引入相位失配,进而调控定向耦合器分光比的原理。此设计能够优化由于器件制造工艺误差给定向耦合器分光比带来的影响。3D FDTD仿真结果表明本文的设计实现了将定向耦合器分光比从43.6:55.3优化至47.6:47.7,接近理想3d B耦合器的分光比。验证了相变材料在调控定向耦合器分光方面的可行性。3.基于上述利用相变材料调控定向耦合器分光比的方法,本文设计了一种利用相变材料相变实现状态切换的光开关,所设计光开关能同时支持TE模式或TM模式输入的场景;并且由于相变材料具有非易失性,所以本文设计的光开关在维持一个状态稳定工作时没有静态功耗。最后,本文利用3D FDTD算法对所设计的光开关进行了模拟仿真,得出所设计光开关在TE模式输入时直通端和交叉端的消光比分别为26.8d B和20.4d B;串扰分别为-20.4d B和-26.8d B。当TM模式输入时直通端和交叉端的消光比分别为7.2d B和9.48d B;串扰分别为-11.39d B和-5.27d B。