硅作为微电子产业的基石,在光通信波段展现了近乎透明的信号传输能力。光担任信息时代的使者,肩负着克服“电子传输瓶颈”的使命。两者的结合不但可以实现片上的光电集成以期在更短的传输距离上由光接替电实现更大带宽的数据交换,也使得传统的分立光器件可以利用成熟的互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺进行小尺寸、低成本的规模化生产。近年来,随着技术的不断积累以及市场需求的逐渐显现,对于硅基光子学的研究已经取得了长足的进展。其应用潜力也覆盖了从光通信用光模块、芯片级光互联、光学生物传感、非线性光学到微波光子学等多个领域。而所有这些基于硅光技术的应用得以实现的前提都是要设计并制备出高性能的硅基微纳波导器件。本论文针对其中的一些应用设计并展示了几种新型的硅基微纳波导器件,主要包括:(1)理论设计了两种硅基耦合微环谐振器结构来提高高速宽带信号的四波混频转换效率。两种器件结构通过针对参与四波混频过程的相互作用光波设计不同的谐振带宽及光场倍增因子达到了改善带宽与转换效率间限制的目的。计算结果表明相比于具有相同光程的硅基单微环谐振器,两种器件结构能够分别获得5dB和14dB的转换效率提升。同时,两个器件的下载端都实现了高于17dB的自滤波泵浦抑制。(2)理论设计了一种反射率可调的硅基单波长反射器。在忽略损耗的理想情况下,该器件能够在保证峰值反射波长不变的同时实现反射率从0到1的调谐。此外,通过结合所设计的单波长反射器与基于微环的可调光延时器建议了一种片上可重构的光相关器结构。该光相关器可用于实现光分组交换网络中的分组头信息识别功能。(3)设计并实验制备了一种硅基空气模光子晶体微环谐振器。该器件能够同时实现微环谐振和光子晶体慢光所产生的光和物质相互作用的增强。另外,通过设计器件工作在光子晶体的空气带,光场被更多地压缩进了光子晶体孔中。实验测得的器件的最高Q值约为14600,其最大群折射率值约为27.3。仿真结果表明相比于工作在介质带的光子晶体微环谐振器,该器件.的光子晶体孔中的光场限制比提高了近6.4倍。、通过结合功能性材料,该器件有希望用于光学生物传感、片上光发射和非线性光学等应用。(4)设计并实验制备了一种谐振间隔可调的硅基单微环谐振器。该器件通过在微环内引入反射率可调的反射元使得微环中两个反向传输的频率简并谐振模发生耦合,从而实现了谐振间隔的调谐。所制备的器件在9.82mW的加热功耗内完成了从零到一整个自由光谱范围的谐振间隔调谐。此外,该器件还可用于实现平顶的带阻滤波。这种器件结构所展示的谐振间隔和谐振谱形的调谐能力使得其适合于可重构光学滤波以及微波光子学等应用。(5)理论及实验证实了硅基亚波长光栅波导强的非线性容忍度。首先,基于波导截面的光场模式分布计算了其等效非线性系数。相比于硅基条波导,亚波长光栅波导展现了超过一个数量级的非线性系数减小。随后,通过结合波分复用技术与高阶调制格式,在实验制备的硅基亚波长光栅波导上完成了 75个波长通道总速率达2.86Tbit/s的数据信号传输测试。相比于具有相同长度的硅基条波导,该亚波长光栅波导的最佳信号输入功率提高了近8dB,表明了其对非线性传输损伤更强的容忍度。(6)设计并实验制备了两种工作在O波段的四通道氮化硅波分复用器件。器件采用级联马赫曾德干涉仪的结构实现了平顶的分波合波且通道波长分别满足局域网波分复用(LAN WDM)和粗波分复用(CWDM)的光接口规范要求。两种器件中,各通道的插损均小于1.8dB,通道间串扰低于-15dB,1dB通带带宽超过了通道间隔的59%。另外,由于氮化硅材料具有较小的热光系数,两种波分复用器件展示了约18.5pm/℃的温度灵敏度。这一数值接近SOI器件温度灵敏度的四分之一,且仅为PLC器件相应数值的两倍不到。而在器件尺寸上,该氮化硅器件约为SOI器件的3～4倍大,却比PLC器件减小了近三个数量级。