硅基光子集成回路能高密度集成各种光子器件,使用互补金属氧化物半导体(CMOS)相关工艺使其成本较低,硅基光子学目前被广泛认为是下一代通信和数据互联的关键技术。等离子体光学结构能在突破衍射极限的纳米尺度传导和操控光,其提供了新的思路在尺寸堪比最新的电子器件的结构中实现光的产生、传导、调制以及探测。本文利用光学仿真算法,研究了硅基集成器件中的模式控制和非互易传输以及等离子体光探测器中的光汇聚等光控制问题,还设计了可用于全硅长波长光探测的高性能波导肖特基探测器。论文介绍了目前常用的几种光学算法,总结其仿真原理和应用特点。围绕以上研究内容,本文的工作主要是以下几个方面:(1)对垂直不对称波导中的模式杂化现象进行了系统研究。模式杂化可用于锥形波导中的模式转换,本文通过使用本征模展开算法分析这些模式变化特性,揭示了模式杂化在其中扮演的角色。针对已报道的带内模式转换,本文提出曲线型锥形波导结构,其尺寸相比线性锥形波导减小约40%。另外,本文提出一种带间模式转换器,其设计制作简单,转换效率高,带宽大,制作容差可接受。以上提出的结构可用于高阶模控制的研究中。(2)对硅基磁光非互易器件进行了研究。针对已报道的磁光非互易相移器件,论文结合模式特性使用两种方法计算不同波导的非互易相移。提出了两种小尺寸器件的设计,一种利用方向耦合器交换光路,一种利用TM模和TE1模间的转换。本研究包括一些器件工艺探索。(3)对聚光型等离子光探测器进行了研究。该类等离子探测器可以将大面积入射光汇聚到纳米尺度的有源区内,因此器件的带宽、暗电流和功耗等性能得以优化,但是由于光吸收率不足,普遍存在响应度不高的问题。本文提出一种高响应度和包含纳米有源区的等离子探测器设计。该设计的材料选取、参数优化和聚光机制都被详细分析。优化的器件在1550 nm有0.74 A/W的理论响应度,3dB带宽可达140 GHz。该器件易于与光纤耦合,可通过成熟工艺制作。设计适用于Ⅲ-Ⅴ族和Ⅳ族材料体系。器件工作波长可通过参数调节实现O-U波段内的调整。与高速但低光吸收率的各种等离子体探测器对比,本设计在提升光吸收率上有突出表现。(4)设计并研究了基于硅纳米线等离子波导的集成肖特基探测器。肖特基探测器基于内光发射原理,采用金属/硅化物作为吸收材料,器件响应度受限于低内量子效率。利用集成超薄金属/硅化物的硅纳米线等离子体波导,本文提出了一种高响应度器件。论文系统分析了该等离子体波导的模式特性,其中的硅化物被分为类金属和非类金属两种。对使用金属/类金属硅化物的等离子体波导,本文首次采用aab0-准TE混合模实现高效光吸收。作为示例,在5nm厚且面积只有0.14μm2的金吸收区内,器件实现了95.6%的光吸收率(对应0.146 A/W的光响应度),这种小接触面积可以得到8.03 nA的低暗电流和高带宽90 GHz。当使用非类金属硅化物,工作的模式为准TM模,本文发现在同样响应度条件下,相对更厚更窄的硅化物吸收区有利于降低器件暗电流。这些研究有助于推动对波导型肖特基探测器的研究。磁光器件研究和波导肖特基探测器研究受益于本文的模式控制研究。另外,面入射等离子体探测器和波导型肖特基探测器的研究均体现了等离子体结构对光场的强限制能力。总之,本文的创新工作主要体现在以下几点:提出了硅基模式转换器件的新结构,提出了硅基磁光器件的尺寸压缩方案,提出了面入射等离子光探测器的性能提升方法,以及设计和研究了高性能硅基集成肖特基探测器,该研究可以推动全硅通信长波长光探测研究。