光通信、光计算和光学生物传感技术的发展促进了对光学芯片技术的需求,也使硅基光子学是当今世界上一个热门的前沿学科,依靠硅光子学的技术支持,光子器件与电子器件可集成到同一硅片上,从而具有异乎寻常的信息收发和处理能力。硅在绝缘体上(Silicon-on-Insulator:SOI)是近年来普遍接受且标准化的集成光波导技术平台,是未来硅基光子学器件发展方向。通过进一步的优化设计、改善工艺、减小波导尺寸,基于SOI的光波导器件和集成模块在光通信、光传感和光信息处理中正在发挥着主导性的作用,将会成为在全光网和光计算机中的核心器件和部件。光波导的小型化研究对于减小光波导分立器件的体积和提高其集成度至关重要,纳米级波导的光传输特性对其横截面的几何尺寸非常敏感。本论文首先讨论和分析了高、宽都小于500nm的SOI脊形光波导的单模条件、偏振无关条件,然后研究并模拟了注入载流子对硅波导中的光学折射率和光学吸收系数的影响及外界电场对波导内载流子分布的影响,进而根据分析与模拟结果优化设计了SOI光波导结构,最后根据优化结果加工了实验样品并获得了与理论预言相一致的实验结果。我们的研究表明,硅在绝缘体上(SOI)亚微米脊形波导的模式特性与脊形微米级光波导是十分不同的。传统的有效折射率法等数值计算方法有其局限性,这里我们采用了快速准确的三维束传播(beam propagation method, BPM)算法,得到亚微米脊形光波导满足单模和偏振无关条件的重叠截面尺寸参数。尤其我们发现,当波导高度为300nm,单模条件与400nm高度的波导开始有显著不同。因此,以上这些研究结论为构筑基于亚微米尺寸波导的光电子器件结构设计提供一定理论支持。