随着摩尔定律的进一步发展，传统的电互连在延迟，功耗等方面的缺点日益凸显。而物联网、云计算和大数据中心都对互连提出了更高的要求，因此光互连受到越来越多的关注。作为光互连的重要研究方向之一的硅基光互连可以充分利用成熟的互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺与低成本的硅材料，被认为是最有潜力可以被实用的光互连方案。　　本论文立足于CMOS工艺兼容的硅基光互连工程化的目的，针对硅光子多通道复用收发器和相干收发器中各个重要的器件单元开展了一系列研究和开发工作，希望为下一步国产硅基光互连芯片的工程化和产业化奠定前期基础。整个论文分为以下四个部分:　　1.研究了基于等离子体色散效应的纯硅高速电光调制器的设计优化及其原型器件验证。我们系统地研究了纯硅调制器的掺杂区设计理论，并利用全解析的等效电路模型进行了行波电极的优化。最后分别实现了载流子耗尽型的速度高达44 Gb/s和30 Gb/s的马赫-增德尔干涉仪(MZI)结构和微环谐振腔(MRR)结构的高速电光调制器。　　2.研究了三种典型的硅基光互连先进复用形式及其器件的设计理论和原型器件验证。在波分复用(WDM)器件方面，我们比较了不同的阵列波导光栅(AWG)滤波器的优化手段，并实现了高性能的面向密集波分复用(DWDM)的阵列波导光栅滤波器。另外，还初步研究了频谱平坦化的方法。在超宽带复用机制的研究方面，我们提出并研究了基于模式演化机理的的偏振分束器和模分复用器。　　3.研究了CMOS工艺兼容的偏振分束旋转器(PSR)的两种模式转化机制及其调控机理。一方面，研究了基于定向耦合器(DC)和多模干涉(MMI)耦合器这样的模式干涉型器件的尺寸缩微和工艺容差改善。另一方面，提出了新颖的基于模式演化的调控机制，并利用非对称Y分支证明了其在改善工作带宽方面的优势。另外，首次探索了偏振控制器件在中红外波段下的应用。　　4.研究了CMOS工艺兼容高效光纤-波导边缘耦合机制。首先，研究了一般单锥尖反向锥形耦合器的锥尖宽度，长度和与芯片边缘间隔对耦合效率的影响。然后，研究了基于双模干涉效应的偏振不敏感的超小尺寸分光器的工作机理和性能优化。最后，提出并实现了基于双锥尖反向锥形耦合器和偏振不敏感合光器的新颖的光纤-波导边缘耦合器。