近年来,以硅基光电子技术为代表的片上集成技术越来越受到学术和产业界的关注。尽管硅与包层材料之间的高折射率差显著减小了器件尺寸,但偏振态对硅基光电子器件和回路的性能产生了非常显著的影响。目前,大多数的硅基片上偏振调控器件都是介质波导结构。由于介质材料的双折射效应较弱,器件尺寸往往较大,且结构相对复杂。表面等离激元是一种存在于介质和金属界面的特殊表面波,可以将光场能量很好地限制在界面附近,具有亚波长尺度的光场限制能力。更为重要的是,表面等离激元是横磁模,具有天然的偏振敏感性,为超小型的硅基偏振调控器件的研究提供了全新思路。其与硅基光波导结合可以有效调控波导模式的有效折射率和光场分布,显著增强器件的双折射效应,有望实现超小型、高性能的片上硅基表面等离激元偏振调控器件。本论文围绕片上偏振调控技术,以硅基混合表面等离激元波导为基本结构,研究超小型片上偏振调控器件。通过引入金属结构增加设计自由度,探索硅波导与硅基混合表面等离激元波导光场模式分布的特点。在SOI（Silicon-on-Insulator）材料平台基础上,提出了两种混合表面等离激元波导偏振调控器件,并且探讨了利用偏振转换实现片上光子加法器的可能。本论文的主要创新成果总结如下:1.提出了一种基于中空型硅基混合表面等离激元波导的TM模式片上起偏器。通过优化锥形波导结构,并且利用TM模式的光场限制能力,有效阻断了TE模式的传播。由于硅波导上方的金属条宽度远大于波导宽度,该结构无需金属与波导的精确对准,增大了工艺容差,有效降低了工艺难度。分析结果表明,在整个C波段,器件消光比大于34 d B且插入损耗小于1 d B。当器件长度为4μm时,在1.55μm波长下消光比可达57.7 d B,插入损耗为0.145 d B/μm。2.提出了一种基于弯曲非对称定向耦合的超小型片上偏振旋转分束器。在表面等离激元与弯曲波导结构的共同作用下,交叉偏振耦合系数得到了显著增大。分析结果表明,器件耦合长度仅为5.21μm。通过表面等离激元调控光场分布和波导模式有效折射率,器件TM-TE模式的偏振转化效率可达99.9%。1.55μm波长下,TM模式和TE模式的消光比分别为20.6 d B和32.5 d B。在80 nm带宽范围内,偏振转化效率大于90%,通道串扰小于-19 d B。3.提出了基于硅基表面等离激元加法器的光子神经网络。面向双端口光子卷积神经网络,对其中的矩阵相乘部分进行了理论研究与实验验证,测试结果表明该结构具备10GOPS的光域矩阵乘加计算能力;利用同一波导中TM与TE偏振态良好的正交性以及不同波导之间的偏振交叉耦合,设计了双端口硅基表面等离激元光子加法器,对矩阵相乘部分的输出实现了稳定可靠的光域求和运算。面向多端口光子储备池计算网络,利于多个偏振模式的正交性,设计了多端口硅基表面等离激元光子加法器,对随机投影层的多通道输出实现了求和运算,且器件尺寸相对紧凑。