在电子行业中，硅基芯片占据着主导地位，给世界带来了革命性的变化。一块指甲大的硅基电子芯片上单元器件的数量以摩尔定律快速地增长着：集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。然而，随着数字通信、互联网的快速发展，对通信器件的带宽要求越来越高，传统电器件中的铜互连技术越来越接近极限，亟待一个新的互连技术来打破这个瓶颈。光通信技术可以在长距离下传输大于1T的信息量，而保持一定的误码率，因而全光互连成为一种替代的解决方案。全球的学术界和工业界都掀起了集成光电子芯片的研究热潮。在所有提出的全光互连的技术中，基于绝缘体上硅结构（SOI）的技术引起了研究人员的广泛关注。尤其是硅基调制器的出现，突破了硅间接带隙难以调制光的障碍，加上硅低成本、结构紧凑、低功率、低损耗以及可以利用已有的互补金属氧化物半导体（CMOS）加工技术等特点，使得硅基光子芯片被认为是构建集成光子器件的理想平台，有望在未来带来光通信领域的又一次革命。本论文围绕硅基纳米光器件—硅基光调控及耦合器，进行了深入的研究，展开了如下工作。首先研究了硅基纳米光调制器—相位调制器的实现方案，提出了一个基于低损耗表面等离子体光波导和高非线性聚合物的相位调制器，并利用该调制器实现了片上高阶调制码型正交幅度调制16-QAM的产生；其次利用高光束缚性的表面等离子体波导和高非线性系数的聚合物实现了一个片上的高增益宽带宽的光参量放大器，实现光的放大；在光无源器件—耦合器方面，主要针对两个不同波导—硅基带状波导和硅基狭缝波导，设计一个高耦合效率、低耦合长度的正交耦合器。1.硅基电光相位调制器的实现方法相位调制器是光通信中最基本也是最不可或缺的一个元器件。相位调制器可以实现将电基带信号调制成光相移键控PSK信号，也可以组成各种幅度调制器实现光幅度调制（ASK）。本文采用一个低损耗高束缚性的硅基表面等离子体波导，结合高非线性系数的聚合物，实现了一个调制电压·调制长度积小，调制带宽大，功耗低的相位调制器。2.硅基单片集成16-QAM调制器高阶正交幅度调制码型16-QAM因其比普通的幅移键控码（ASK）和差分相移键控码（DPSK）每个符号携带更多的比特信息，从而大大提高传输信号的速率，而受到广泛关注和研究。本文利用上文提出的表面等离子体相位调制器，实现了16-QAM码型的产生。通过巧妙地利用表面等离子体波导的本征损耗，我们提出的硅基单片集成16-QAM调制方案节约了一个光衰减器，且只用了两个相位调制器，大大简化了结构，插入损耗也比较低。3.片上硅基光参量放大器光放大器是光通信系统中一个基本器件，类别上分为掺杂增益离子光放大器、拉曼放大器以及光参量放大器（OPA）。前两者依赖于离子特性或拉曼特性，增益峰值和增益带宽受到限制。而光参量放大器采用材料的非线性特性，可以达到很高的增益和很宽的带宽，并且中心波长可以任意设置。本文利用表面等离子体波导的高束缚性和高光场增强性，并结合聚合物的高非线性，获得了很高的非线性系数。我们独特地引入了一个负的非线性系数的聚合物，满足了相位匹配条件，从而实现了一个带宽具有约1μm的光参量放大器，约为已有方案的10倍，且其峰值增益可达20dB。4.硅基狭缝波导的耦合方案研究硅基狭缝波导可以将光场束缚在小至约50nm的狭缝中，极大地提高了芯片的集成度，因而引起了广泛的关注。研究员们针对硅基狭缝波导提出了许多应用，如相位调制器（PM）、谐振器、滤波器、波长转换器等。然而，由于波矢和光场的不匹配，将光从光纤或其他外部光源如何耦合入只有50nm的狭缝中是一个难题。而光纤到硅基带状波导的耦合研究员们已经进行了深入的研究并取得了较高的耦合效率。因此，我们可以通过硅基带状波导到硅基狭缝波导的耦合来实现狭缝模式的激发。本文采用一个独特的耦合原理，实现了两种波导之间的耦合，耦合效率高，耦合长度非常小，结构紧凑。