经过多年的发展,硅基光子集成技术已经取得了许多重大的突破,但硅基有源器件仍旧是硅基光子集成中的关键所在。锗硅材料体系是目前唯一能够实现全部硅基集成有源器件且与成熟的互补金属氧化物半导体（Complementary metal oxide semiconductor,CMOS）工艺兼容的材料平台,具有巨大的应用前景。基于量子限制斯塔克效应的锗硅量子阱调制器具有低偏压、高速率、低功耗等优势,近年来受到了广泛关注,但其性能可以进一步提升从而满足与CMOS电路相集成的要求。在国家自然科学基金重点项目的支持下,本论文提出设计了一种锗硅非对称耦合量子阱结构并对其物理性质进行了理论计算和分析,设计并制作了基于锗硅非对称耦合量子阱的硅基波导型调制器,设计并制作了用于锗硅材料的高效光栅耦合器。本论文的研究成果可以归纳为如下几个方面:（1）基于8带k×p方法,构建了计算锗硅量子阱能带结构的理论模型。详细推导了锗硅量子阱能量本征值和波函数的求解过程,并给出了其中的总哈密顿量、应变矩阵元和动量矩阵元,同时给出了锗硅量子阱直接带隙吸收和间接带隙吸收的吸收谱表达式。（2）设计了一种非对称锗硅耦合量子阱结构并对其光电性质进行了理论计算分析。相比于普通锗硅多量子阱,非对称锗硅耦合量子阱吸收带边的红移现象更加显著,产生的电致折射率变化也更加明显。当外加电场强度为30 k V/cm时,其电致折射率的变化在1461 nm波长处取得一个局部极大值约为9×10-3,对应的半波电压与相移区长度的乘积VπLπ值大约为0.01 V×cm,比其他硅基相位调制器要有显著的竞争优势。随后进一步计算并分析了单轴张应变和双轴张应变对锗硅非对称耦合量子阱直接带隙吸收谱的影响,单轴张应变有助于增强锗硅非对称耦合量子阱在TE偏振方面的应用而抑制TM偏振态,而双轴张应变则有助于实现低偏振相关方面的应用。（3）设计并制作了一种基于锗硅非对称耦合量子阱结构的硅基波导型调制器。电学特性测试结果表明,器件的pn结特性明显且暗电流较小,光电流响应测试表明锗硅非对称耦合量子阱具有明显的量子限制斯塔克效应。在1 V和2 V的反向偏压下,该器件可以分别实现最高5 dB和7.8 dB大小的调制消光比,在1 V/2 V电压摆幅下,可以实现约5.7 dB大小的消光比。对于相位调制,在1 V和2 V的反向偏压下,该器件可以在1530 nm波长处分别实现1.4×10-3和3.2×10-3大小的电致折射率变化,对应的半波电压和相移区长度的乘积VπLπ值分别为0.055 V×cm和0.024 V×cm,显著小于其它硅基相位调制器。在0 V,1 V和2 V的反向偏压下,该器件的3 dB响应带宽分别为24 GHz,27 GHz和32 GHz左右,显著高于目前已报道的其它锗硅多量子阱调制器的3 dB带宽。该器件可以同时实现强度调制与相位调制,有潜力应用于更加简单紧凑的片上系统来实现高级调制格式。（4）设计并制作了一种用于锗硅材料的高效光栅耦合器。由于目前锗硅器件的端面耦合损耗较大,为了增强片上锗硅器件与光纤的耦合效率,设计了带有底部金属反射层的锗硅光栅耦合器。仿真结果表明,相比于无金属反射层的情况,光栅的耦合损耗减少了9.4 dB,其定向性得到了显著的改善。仿真优化得到的光栅最小耦合损耗为-1.34 dB,计算结果表明该锗硅光栅对工艺偏差具有较高的容忍性。实验上,开发了背面对准工艺来制作锗硅耦合光栅,在制作基片底部的金属反射层时使用了双面对准光刻机进行基片背面深刻蚀窗口的曝光。测试结果显示,底部有金属反射层的锗硅光栅测得的最小耦合损耗约为-2.7 dB,其3 dB带宽超过40 nm。