随着计算机、通信技术的迅猛发展，现代社会对信息的需求成爆炸性增长，数据传输和信息处理的速度逐渐向Tbit/s迈进，传统的电互连技术正面临着瓶颈，越来越无法满足高速数据传输和处理方面的要求。光互连技术相比电互连技术在带宽、延迟和功耗等诸多方面具有优势，以光互连代替电互连将是今后的一大发展趋势。硅基光互连具有与传统CMOS工艺相兼容、尺寸紧凑、低功耗、成本低和潜在高速等优势，被认为是光互连技术中最有潜力的技术之一，目前正处于快速发展和逐渐实用化的进程中。硅基光互连系统是由各种光波导器件组成，包括激光器、耦合器、滤波器、波分复用/解复用器、调制器、光开关和探测器等。　　本论文从SOI光波导、微环谐振腔和马赫-曾德尔干涉仪(MZI)的基本理论出发，依据传输矩阵法对多种微环谐振腔和MZI结构进行了机理阐述和性能分析。在此基础上，全面开展了应用于滤波、开关和互连的硅基光子器件的研究，包括基于微环/微盘谐振腔的光滤波器及其功能组件和MZI电光开关及开光阵列器件，主要工作成果陈述如下。　　系统地研究了微环谐振腔结构的耦合加强机理和本征Q值（本征损耗）特性，提出一种新型的同时实现强耦合和高本征Q值的椭圆微环谐振腔结构，并研制了一系列单环直通型、上下话路型和双环串联型级联的圆形和椭圆微环谐振腔器件。单环结构由于更大的耦合，椭圆谐振腔传输光谱谐振峰的3 dB带宽从圆形的0.13 nm增大到0.34 nm，双环串联级联微环结构可以获得更好的滤波特性，通带更加平坦，3 dB带宽圆形微环结构增加到0.49nm，椭圆形微环结构增加到0.75 nm，消光比也增加到40 dB。　　系统地研究微盘谐振腔结构中的模式特性，提出并研制了一种新型的单模工作的高Q值的椭圆微盘谐振腔器件。半径10μm的圆形微盘谐振腔结构有两个明显的谐振模式，而具有相同周长的椭圆微盘谐振腔结构实现了单模工作，谐振波长1549.09 nm时，Q值达到1.1×105，消光比17dB，本征Q值1.7×105。　　提出了一种新型的同质掺杂的平板区加热器结构，实现片上兼容的低电压工作。这种结构加热时，电流沿着波导方向在平板区中传播，载流子并不经过光场集中的波导脊区，热量通过平板硅传导到波导脊区，几乎不引入载流子吸收损耗。采用这种新型的加热器，研制了一种应用于波分复用系统的硅基完全可重构的微环解复用器，实现均匀的信道间隔分光，同时借助硅材料中的热光效应实现完全可重构性。该集成加热器的热电阻～30Ω，加热效率为77 pm/mW。通过精确地调谐每一个微环谐振腔的中心波长，解复用器下路端的传输光谱分别实现了通道间隔2 nm(250 GHz)和1 nm(125 GHz)，最坏的通道隔离度分别为-21 dB和-16 dB。　　研制了2×2硅基PIN-MZI型电光开关器件，对称2×2 MZI电光开关器件在1500 nm到1600nm波长范围串扰大于-20 dB，消光比小于20 dB，非对称2×2 MZI电光开关器件在很窄波长范围内工作，串扰小于-20 dB，消光比大于20 dB。制作的光开关器件施加正向电压Vpp=1.5 V时，上升时间为1.5 ns，下降时间200 ps。开关器件的综合性能达到国际领先水平。我们对用作分束器合束器的两种主要的3 dB耦合器: MMI和DC耦合器进行了优化设计。模拟显示，MMI耦合器在1550nm到1600nm内获得良好的分光比，损耗仅为0.2 dB; DC耦合器具有更小的损耗，在1550nm波长范围内只有不到0.05 dB损耗，但DC耦合器是波长敏感器件，工作波长范围小，我们研究级联DC耦合器结构以获得宽带工作。　　研制基于2×2硅基MZI电光开关单元器件的开关阵列结构，研究比较了各种硅基MZI电光开关阵列的拓扑结构及其分类，分析了这些结构的优缺点。研究开关阵列中开关单元数目和级数的关系，给出最少开关单元数目开关阵列以及更少交叉波导和更好对称性开关阵列的拓扑结构。介绍了CMOS流片制作的4×4硅基电光开关阵列，有选择地给出了研制4×4、8×8和16×16硅基MZI电光开关阵列的设计方案。这些将会有利于最终实现高速、低串扰的16×16电光开关阵列。