近年来硅光子学已成为当今世界上一个热门的前沿学科.由于硅基微纳光子结构具有高的三阶非线性光学效应和较低的传输损耗的显著特点，可以用来处理速率大于100Gbits1的光信号，硅基微纳光子结构中的超快非线性光学效应及应用已引起了人们巨大的研究兴趣.本文研究了具有微纳光子结构的硅波导中的超快四波混频效应及超连续谱产生、飞秒波长转换、参量放大、宽带可调谐参量振荡器和太赫兹波产生等应用.首先，提出了一种通过控制入射脉冲初始啁啾的方法来展宽硅波导中产生的超连续谱带宽的方法，结果表明硅波导中产生超连续谱的带宽和平坦度对入射飞秒脉冲的初始啁啾十分敏感，当输入带正啁啾的脉冲时，由于孤子分裂效应所需要的传播距离减小，超连续谱的带宽将会得到明显的增大，通过优化初始啁啾，最大带宽可达到1500nm.其次，分析讨论了硅波导中的飞秒波长转换，与皮秒脉冲相比，飞秒脉冲的光谱在自相位调制和交叉相位调制的影响下被极大展宽，且当抽运和信号的脉宽小于100fs时出现光谱重叠而难以实现有效的波长转换.此外，在相同峰值功率下，飞秒波长转换比皮秒波长转换具有更高的转换效率.当入射飞秒脉冲重频为100GHz时，可以实现－8dB的转换效率和220nm 的转换带宽.同时分析了硅波导的色散对飞秒参量放大的影响，结果表明通过改变脊型硅基微纳波导的横截面尺寸来调节波导色散，可实现超宽带相位匹配、光滑的脉冲时域特性和可提取的信号与闲频光输出，在10mm 长的硅波导中可以实现26.8dB的片上信号光增益和25.6dB 的闲频光增益，增益带宽大于400nm.第三，提出并分析了一种基于硅波导的飞秒光参量振荡器的方案，结果表明利用硅基微纳波导的非线性特性和灵活可控的色散特性的共同作用，可以输出调谐范围从1645nm 至105nm 的信号波长，同时输出调谐范围从1350nm 至1456nm 的闲频光.当抽运光脉冲的峰值功率为50 W 时，输出信号光脉冲的峰值功率在1700nm 至1770nm 的波长范围内可以超过1 W.最后，提出并分析了一种基于硅波导中四波混频效应的太赫兹波产生的方法，结果表明抽运波长只有在正常色散区时可以实现共线相位匹配，在抽运波长和波导高度变化的情况下，可以实现转换效率大于1％的宽带太赫兹波输出.