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近年来,随着第五代移动通信（5G:fifth generation）、移动互联网、视频直播、在线教育、自动驾驶等新型数据通信业务的快速发展,海量数据传输对光通信系统提出了更高的需求,集成化和智能化的数据处理更是未来绿色发展的重要趋势。光子集成技术和人工智能技术应运而生,前者可以增加集成度和降低功耗,后者可以增加数据管理的灵活性。围绕光子集成技术和光学神经网络技术,本文主要开展了硅基亚波长光栅狭缝（SWGS:subwavelength grating slot）光波导器件及应用、硅基神经网络光子集成芯片及片上光交换、空间衍射神经网络结构及模式调控应用等三方面理论和实验研究工作,具体研究内容如下:（1）理论和实验研究了硅基亚波长光栅狭缝光波导器件及应用。（1）针对硅基光波导中光场在硅区域中比例较高导致的高非线性问题,借鉴了狭缝波导和亚波长光栅（SWG:subwavelength grating）波导中的导模机制,提出了一种基于SWGS波导的光场比例调控方法。对SWGS的多维变量使用参数网格扫描进行参数优化,得到3.20/W/m的超低非线性。接着提出两种不同原理高耦合效率的SWGS模式转换器,分别适用于二氧化硅和空气包层的场景。（2）为了验证基于SWGS波导的片上数据传输性能,设计制备了适用于2μm波长的SWGS波导,搭建并测试了2μm片上数据传输系统,误码率门限为3.8e-3时,测量光信噪比（OSNR:optical signal-to-noise ratio）代价为2.5 d B。（3）为了进一步验证SWGS波导在热稳定和传感中的应用,提出并制备了新型的SWGS跑道型微环结构。通过比较条形微环、狭缝微环、条形耦合区域的SWGS微环、狭缝耦合区域的SWGS微环,结果表明:狭缝耦合区域的SWGS微环可以有效降低光场在波导中的比例,在热稳定和传感应用中性能最优。（2）理论和实验研究了硅基神经网络光子集成芯片及片上光交换。（1）针对马赫-曾德尔干涉仪（MZI:Mach-Zehnder interferometer）神经网络结构光交换应用中的多参数优化问题,提出了整体网络的梯度下降法。利用梯度下降法的各种变式,研究了多种拓扑结构下强度型和强度相位型光交换结构,发现强度相位型结构具有更优异的交换、容错和功耗性能。（2）为了验证强度相位型光交换神经网络的性能,设计并制备了四通道硅基MZI神经网络芯片,利用改进的梯度下降法对其进行了参数的学习配置。将四通道硅基MZI神经网络芯片和全光纤型轨道角动量（OAM:orbital angular momentum）模式复用器组合构建了多模光纤模式光交换网络。将正交相移键控（QPSK:quadrature phase shift keying）、8级正交幅度调制（8-QAM:8-ary quadrature amplitude modulation）和16级正交幅度调制（16-QAM:16-ary quadrature amplitude modulation）信号加载到不同的模式通道,测得总OSNR代价约为6 d B,其中,芯片引入的OSNR代价约为2 d B,芯片最大串扰小于-18.7 d B。（3）进一步实验研究了异构光纤的模式光交叉连接系统。在5 km少模光纤和25 km环形光纤间建立异构模式通道间的信息交换,系统总OSNR代价约为14.5 d B,其中,芯片引入的ONSR代价为3.9 d B,芯片最大串扰为-18 d B。（3）理论研究和设计了空间衍射神经网络结构并开展了模式调控应用研究。（1）提出并研究了基于矩阵乘法的衍射传输仿真方法和基于神经网络梯度下降的参数优化算法。（2）通过参数优化得到不同规模空间衍射神经网络的参数,对空间衍射神经网络光场调控能力的影响因素进行了分析,对优化算法的性能进行了仿真验证。开展了模式解复用器的应用研究。采用4层、10层、50层神经网络分别实现了5个、11个、100个正交OAM模式的解复用,优化得到的100个模式解复用器具有0.52 d B的平均损耗、0.62 d B的最大损耗以及-28.24 d B的最大串扰。（3）开展了模式转换器的应用研究。采用10层空间衍射神经网络结构优化实现了2种模式转化应用:厄米-高斯（HG:Hermite-Gaussian）模式转拉盖尔-高斯（LG:Laguerre-Gaussian）模式、HG模式转OAM模式。（4）提出了基于玻璃基板的光子集成器件装配的空间衍射神经网络方案,满足模式复用解复用器和模式转换器对小尺寸、低损耗、易对准、可扩展和低成本的需求。设计的光子集成器件装配的10层衍射神经网络,总体尺寸仅为49 mm×7 mm×7 mm,可实现11个正交OAM模式的解复用,最大的串扰为-26.68 d B,损耗为0.12 d B;20层衍射神经网络,总体尺寸为67 mm×7 mm×7 mm,可实现25通道的OAM转HG模式转换器,损耗仅为0.33 d B。