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随着信息高速时代的到来,光通信网络快速发展,一方面光网络链路部分的信息传输容量不断得到提升,另一方面网络节点处的信息处理也呈现出高速大容量、可调谐、可重构及灵活多功能等趋势。同时,随着集成小型化进程的推进,光通信网络也广泛使用集成器件。硅基光子集成器件由于其低成本、尺寸小、容易集成、与金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容等特点,越来越备受关注。本文开展了基于硅基光波导的片上光互连以及基于硅基光波导线性和非线性效应的光信号处理研究,具体内容如下：(1)理论研究了硅基光波导的结构特性和非线性效应。①数值模拟了硅基光波导(条形波导和狭缝光波导)的色散和非线性与波长的变化趋势。②建立了基于硅基光波导非线性效应的全光信号处理的理论基础,理论研究了硅基光波导中自相位调制效应(SPM)、交叉相位调制效应(XPM)、双光子吸收效应(TPA)、自由载流子吸收(FCA)、简并四波混频效应(D-FWM)以及非简并四波混频效应(ND-FWM)等非线性效应的耦合波方程。(2)理论和实验研究了基于硅基光波导的片上光互连。①理论研究了基于硅基光波导(条形波导和狭缝材料为空气的垂直狭缝光波导)的片上光信号传输,理论分析了硅基光波导的非线性效应对高级调制格式信号片上光互连的传输影响；②将波分复用技术(WDM)、正交频分复用(OFDM)和正交幅度调制(16-QAM)信号结合实验研究了基于硅基垂直狭缝光波导的Tbit/s片上光互连传输。③实验研究了正交频分复用偏置正交幅度调制(OFDM7OQAM) 64/128/256/512-QAM信号基于硅基微环的片上光互连,实验分析了载波波长与硅基微环的谐振波长偏移量对片上光互连传输的影响。④实验研究了硅基光子晶体微腔的片上模拟信号传输链路,分析了硅基光子晶体微腔对模拟信号传输链路的影响。(3)实验研究了基于硅基光波导的线性光信号处理。①利用二维光子晶体光栅和微环谐振器的结构优势,结合OFDM/OQAM 64/128-QAM信号实验实现了硅基光子器件的片上偏振和波分复用解复用。②实验研究了基于硅基光波导的片上多个模式的复用和解复用。③设计制作了基于硅基光子集成器件的高级调制格式硅基微环调制器,在绝缘体上硅(SOI)平台上实验实现了仅基于硅基微环的强度调制的高阶调制格式信号的调制器。(4)理论和实验研究了基于硅基光波导的非线性光信号处理。①实验研究了基于硅基条形波导D-FWM效应的片上OFDM m-QAM信号的全光波长转换,实验实现了高达256-QAM信号的片上全光波长转换。②数值研究了仅用单个硅基狭缝光波导双四波混频效应同时实现了160-Gbit/s的半加器和半减器,此外,还通过分别引用两种非线性材料硅纳米晶(Si-nc)和有机高分子聚合物(PTS)作为狭缝材料对比,得出TPA系数低的硅基PTS狭缝光波导更适用于非线性光信号处理。③充分挖掘了基于硅基有机高分子聚合物狭缝光波导中的多个ND-FWM效应同时发生的工作原理,数值研究了基于硅基有机高分子聚合物狭缝光波导的三输入(A、B、C)十六进制40GBaud (160-Gbit/s)光加减计算(A+B-C、A+C-B、B+C-A、A+B+C、A-B-C、B-C-A)。④充分利用基于硅基有机高分子聚合物混合狭缝光波导的高非线性和低且平坦的色散特性,数值研究了基于硅基有机高分子聚合物混合狭缝光波导的ND-FWM的参量衰减效应实现640 GBaud (2.56-Tbit/s) 16-QAM及640 GBaud (3.84-Tbit/s) 64-QAM信号的光数据交换功能。⑤提出并数值研究了基于硅基有机高分子聚合物混合狭缝光波导XPM效应实现40 GBaud (160-bit/s) 16-QAM的光信号加密解密技术。⑥基于硅基有机高分子聚合物混合狭缝光波导XPM效应,提出并理论研究了一种可拓展的全光开关键控(OOK)信号到高级调制格式信号的码型转换器,数值仿真了多路OOK信号到四相移相键控(QPSK)信号、16/64/256-QAM信号的码型转换。⑦利用QPSK信号及D-FWM非线性相位操控作用,实验研究并实现了基于硅基条形波导的片上20Gbit/s两输入四进制光加减计算(2A-B、2B-A)。