随着当今世界信息技术的飞速发展，互连将无处不在。人与人，人与物，物与物之间的高速信息交换对数据传输和处理提出了更高的要求。高效率，低成本，低功耗的信息互连变得十分迫切。传统的电互连技术正面临着瓶颈，无法满足未来高速通信的需求。在此背景下，硅基光互连应运而生，它具有与传统CMOS工艺兼容、尺寸紧凑、宽带和低功耗的优势。　　硅基光互连系统中的主要组成部分包括激光器、调制器、复用和解复用器、光开关和路由器、光电探测器等。本文利用商用的电磁场和半导体器件特性分析软件对硅基光互连系统中的部分关键性器件的光电特性进行了深入的分析和优化设计，并在已有的工艺条件下完成了器件的制作。通过搭建基于芯片的测试平台，对提出的高效硅基光子器件及功能模块进行了详细的实验验证。本论文中的主要成果和贡献列述如下。　　本论文对多模波导的光交叉结构进行了系统的分析和优化设计，通过单次刻蚀的加工方法，首次实验上实现了高效低串扰的多模波导交叉结构。器件在1550nm波长处的损耗仅为0.1dB（传输效率为97.6％），串扰值在1500-1600nm的宽谱范围内达到了-40 dB。基于反向楔形波导结构的模式变换作用，本论文提出了光多路分束结构，文中设计并制作了均匀的1×4光分束器。在1510 nm～1550nm范围内其损耗＜0.4 dB，分光均匀性＜0.68 dB，尺寸仅为75μm2。论文在国际上首次提出了基于PN结反向击穿效应的硅波导加热器。通过在波导中心嵌入PN结构，当结上的反向偏压达到PN结的击穿电压时，结内的雪崩效应可实现快速的产热。由于产热和散热都位于硅波导的中心区域，因此器件的热响应时间较短。实验中器件的热响应时间为450 ns，达到π相移所需的功耗为19.6 mW，器件的核心参数Pπ·τ=8.8 mW·μs，与前人报道的30.5mW·μs结果相比，加热器的效率提高了两倍。　　论文在国际上首次提出了基于迈克逊干涉结构的硅基光调制器，利用光在相移臂上的往返传输，实现了光场与载流子浓度变化区域的两次交叠，从而有效的提高调制器的调制效率。实验中在500μm的调制臂上，迈克尔逊干涉型调制器的调制效率为0.72～0.91 V·cm，为相同调制臂长的马赫泽德干涉型调制器的两倍。在直流偏置电压为-3 V，驱动信号幅值Vpp=6 V的条件下，器件可实现30Gbit/s，6dB消光比的高速光调制。论文采用交趾型PN结的硅基微环结构，在国际上首次实现了40Gbit/s的高速光探测器。利用波导中的PN结掺杂引入杂质吸收效应，结合微环的谐振将环内的光强度增强，并在临近PN结击穿的反向偏压下实现波导内光生载流子的电学倍增，从而实现硅波导中的高效光探测。在-8 V的反向偏压下，探测器响应度达到了48 mA/W，3dB带宽为20.5 GHz，可实现高速的硅光电探测。　　论文提出了基于MZ（马赫泽德干涉性）结构的五端口光路由器，通过采用10个2×2光开关单元和5个波导交叉结构级联，实现了五端口路由器对应的20个路由状态，并采用40Gbit/s的高速调制信号，对五端口路由器的有效性进行了原理性验证。基于已有的高速硅光子芯片和电学驱动芯片，利用金丝引焊的光电集成方案，本文探索性的研制了单波长25Gbit/s的光发射器和20 Gbit/s的光接收器，在此基础上，实现了12.5Gbit/s的高速光互连链路。基于微环的高速调制和探测，论文中首次提出了全硅型片上光互连链路。在反向偏压分别为-3和-15V的条件下，微环调制器和探测器的光电和电光3dB带宽为12GHz和10GHz，可分别实现25 Gbit/s和20 Gbit/s的光调制和信号探测。基于微环结构的片上光互连链路可支持15 Gbit/s高速信号传输。