随着话音业务的激增和各种数据、图像新业务的涌现,特别是FTTH和IP网络技术的不断发展,通信系统的信息容量与处理速度呈现爆炸性增长态势。而基于金属传导的电互连技术面临严重的热耗散与不可逾越的电子瓶颈,已越来越不适应信息存储、信息传输、信息处理的高速率高带宽需求。以光子作为信息载体,以波导作为传输媒介,在芯片内部以光互连取代电互连,实现片上高密度、高速率的数据传输,是突破电互连性能瓶颈的有力手段。平面光学器件的研制,以及彼此之间的相互集成,是实现片上光互连的前提。以硅为主要材料的硅基光子学,因微电子行业的推动,研究人员对硅材料认知的加深以及硅基兼容技术的逐渐成熟,被认为是最有希望的光互连平台。本论文以硅基光互连芯片中的两种关键无源器件——波长转换器、波分复用器件作为研究目标。首先,我们介绍了硅基波导的分类以及主要数值仿真方法,并采用时域有限差分方法对条形波导、狭缝波导的模场分布、线性传输性质进行了分析。随后,介绍了 SOI波导中的几种重要非线性现象。接着,我们介绍了硅基波导的制作方法与测试,包括关键设备、重要工艺流程、测试方法与耦合平台。在对硅纳米线波导研究的基础上,本论文对基于四波混频效应FWM的硅基波长转换器、硅基波分复用器件进行了研究。波长转换器可以有效解决通信网络的波长连续性问题,增加片上光互连的通信带宽,提高光网络的波长使用效率。为提高硅基波长转换器的转换效率,本论文从增强非线性系数与调控相位失配两方面着手。对于前者,本论文设计了一种高非线性水平狭缝波导,其非线性系数达到4100W-1m-1,为相同结构尺寸下条形波导的20倍。对与后者,本论文提出了两种准相位匹配方案——相位失配交替方案PMS与相位失配补偿方案PMC,用于调控相位失配,提高目标波长处的转换效率。结果表明,PMS、PMC方案分别将转换效率提高了 11.3 dB、18.3 dB。随后,本论文研究了双泵浦条件下,PMS、PMC方案的转换性能。功率较低的情况下,非简并FWM比简并FWM更易获得较高转换效率。除此之外,本论文还提出一种增强型相位匹配补偿方案EPMC,用于进一步提升能量转移强度,提高转换性能。计算结果表明,EMPC方案中FWM效率达到-11.3 dB,3-dB带宽为516nm。波分复用/解复用器是片上光互连的核心,它对于实现多路光的合波与分波,增强通信带宽有着极为重要的作用。现有的光学设计方法限制了设计者获得更高集成度、更优性能的平面集成光学器件。超材料结构在亚波长尺度调控介电常数,为高效光子调控提供了一种新思路。为消除干法刻蚀过程中迟滞效应对刻蚀深度的影响,本论文提出了一种迟滞效应不敏感的类光子晶体超材料结构,通过部分填充的方式,保证了刻蚀图形的形状独立性与尺寸一致性。并采用直接二进制搜索反向设计方法DBS,基于该类光子晶体超结构设计并制作出一个结构紧凑、适用于CWDM系统的粗波分解复用器。该器件损耗小、串扰低、带宽大且对温度变化容忍度大,信道密度相对现有器件提高两个数量级。