随着硅光子学在传统近红外通信波段研究的日趋完善,中红外谱段光源和探测手段的日趋成熟,中红外波段硅光子学的广泛应用前景逐渐引起研究人员的注意。中红外波段(2~20μm)囊括了许多重要气体分子的特征吸收波长,也涵盖了两个重要的“大气通信窗口”,同时还属于“人眼安全”的波段的范畴。因此,在包括气体传感、新一代光通信网络、医疗手术、气象监测、军事科技、材料加工等领域有着丰富应用前景。同时,随着工艺与CMOS兼容、结构简单、成本低廉的硅基光电子技术的不断发展,硅光子技术应用的波长范围,已经开始从传统的通信波段拓展至中红外波段。此外,2μm波段作为中红外光谱的一个重要区间,因其恰好对应掺铥光纤放大器的增益谱段和空气芯光子晶体光纤的最低损耗窗口,因此作为一个潜在的新通信窗口而受到研究人员的广泛关注。本文围绕中红外硅光子学技术,对其在中红外通信中的应用展开了研究:介绍了硅基光波导的工作原理、评价参数和数值计算方法;设计制造了基于硅波导热光效应的中红外光开关,并对其展开实验研究;提出了基于非对称定向耦合器的中红外片上模式复用方案,搭建了2μm片上模分复用通信系统,并分别对2路和4路模分复用系统展开实验研究。具体内容如下:(1)介绍了硅基光波导的导光机制,损耗的测量和模式分布;以及光波导分析常用的数值方法及其在直波导、多模干涉器、非对称定向耦合器和光栅耦合器等无源器件数值仿真计算中的应用。(2)设计了一种基于热光效应的中红外硅基光开关,介绍了实验用垂直光栅耦合器性能优化方案及实验测试结果;介绍了光开关的工作原理、工作状态下的热分布及优化方案,实验测试中红外硅基热光开关的驱动功率和响应时间等参数。(3)设计了基于级联非对称定向耦合器的中红外多路模式复用器,介绍了该器件的工作原理和设计思路,搭建了2μm片上通信系统,并对分别对两路和四路模式复用器进行了测试,并对不同信道性能进行了对比讨论,提出改进方案。