随着半导体工艺水平的不断进步,集成规模与电路速度也翻倍增长,因此带来了一系列电互连问题,光互连技术解决方案应运而生。通过改性技术（如应力、合金化等作用）,Ge可由间接带隙半导体转变为准直接带隙或者直接带隙半导体。（准）直接带隙改性Ge半导体载流子辐射复合效率高,应用于光器件发光效率高;同时,（准）直接带隙改性Ge半导体载流子迁移率显著高于Si半导体载流子迁移率,应用于电子器件工作速度快、频率特性好。鉴于改性Ge半导体在光器件和电器件两方面的应用优势,其具备了单片同层光电集成的应用潜力,已成为领域内研究的热点和重点。本文首先以改性Ge半导体为研究对象,基于薛定谔方程,在研究建立改性Ge材料应变张量和形变势模型的基础上,采用kp微扰法,分别建立了改性Ge材料导带、价带E-k关系模型以及直接带隙Ge_1-xSn_x合金kp模型,为后续带隙类型转化规律、改性Ge能带结构与调制研究提供重要理论依据。基于改性Ge应变张量模型和形变势模型,建立不同改性条件下Ge带隙类型转化模型,揭示改性致Ge半导体带隙类型转化规律;基于改性Ge材料导带、价带E-k关系模型,建立了直接带隙弛豫GeSn合金和准直接带隙改性Ge半导体的能带结构模型,为后续Ge基光互连中发光器件有源层的设计提供重要理论依据。依据同层单片光电集成器件各部分有源层能带关系要求,基于固体能带理论,研究了直接带隙弛豫GeSn合金和准直接带隙这两种改性Ge半导体在单轴应力作用下禁带宽度的变化规律,提出了改性Ge单轴应力禁带宽度调制方案,为Ge基同层单片光电集成的实现提供了重要理论参考。基于Sellmeier色散方程与Lorentz-Lorenz方程,建立了直接带隙弛豫GeSn合金和准直接带隙改性Ge半导体折射率模型。然后在此基础上,利用FDTD仿真优化了改性Ge矩形波导几何结构参数,并针对波导与发光器件结构兼容问题,对改性Ge锥形过渡波导区域进行了仿真设计,获得了有实用价值的相关结论。本文改性Ge半导体能带结构、单轴禁带宽度调制以及改性Ge波导相关研究,可为Ge基光互连中发光器件有源层的研究设计,以及Ge基单片同层光电集成的实现奠定重要的理论基础。