随着现代互联网技术的发展和各种智能终端的普及,人类工作生产和日常生活对数据通信的速度、容量和质量的需求正爆发式的增长。硅基光电子集成芯片,受益于其高集成密度、低能耗、大带宽、低成本和CMOS兼容等优点,受到科研界和工业界越来越多的关注,被视为下一代光通信、光互联和光传感系统中最有前景的技术之一。过去几十年中,无数的科研工作者投入到硅光集成器件的研究中,取得了许多成果。如今,硅光集成芯片用作光通信、光互联和光传感的技术路线已经明确,大部分功能性器件也已经基本实现,但在大规模应用之前,仍然存有一些问题待解决攻克:有源器件方面,需要解决有源材料结构与硅基芯片混合集成的工艺和成本问题,无源器件方面,一是需要进一步提高器件的性能,尤其是用于偏振和模式调控的器件,二是需要统一器件使用的波导高度。为了进一步将硅光集成器件和芯片推向产业化应用,本文在用于模场调控及光电探测的硅光器件方面做了一些研究工作,在无源器件方面,我们提出并实现了一些硅基集成的高性能偏振和模场调控器件,在光电探测方面,我们提出并实现了 一种低成本、CMOS工艺兼容的光热型光电探测器件。首先,我们研究了片上的偏振调控器件。基于级联的定向耦合器结构,我们提出了偏振分束器解决方案。通过级联两个非对称弯曲定向耦合器,我们实现了一个高性能的偏振分束器,在中心波长处消光比高达33dB;在此基础上我们改进设计,通过级联三个定向耦合器结构,我们进一步提高了偏振分束器的性能,实现了中心波长处高于40dB的消光比,并且使工作带宽增加至126nm(消光比>20dB),该偏振分束器的性能创世界纪录;基于硅基混合表面等离子体波导和硅纳米线波导构成的非对称耦合器,我们设计了一个超小(长度～10μm)的偏振分束器,中心波长处消光比>20dB;基于绝热锥形波导中的模式演化效应,我们设计了一个长度～70μm的偏振分束-旋转器,消光比>20dB带宽达50nm。第二,我们研究了多模波导中的模场调控器件。通过周期型的超表面结构对多模波导截面等效折射率分布的调控,我们实现了对多模弯曲波导中模场的调控,使其与直波导中对应模式之间的模场失配量减小,从而实现了超小弯曲半径的低损耗和低串扰多模弯曲波导。我们通过实验分别验证了三个模式通道和四个模式通道的多模弯曲波导,在弯曲半径分别为10μm和20μm时,实现了 0.3-0.7dB和0.4～0.8dB的损耗,以及低于-20dB和-15dB模间串扰。该超表面结构多模弯曲波导的设计可以扩展至更多模式通道,并同时支持TE和TM偏振模式。第三,我们使用硅基混合表面等离子体波导结构,设计并实现了一种光热型的光电探测器件,借助于混合表面等离子体波导对光场吸收和光热效应的增强作用,器件尺寸仅～3×15μm2,我们实现了～17.7mV/mW的响应度、～3.Iμs的响应时间和～35dB的动态响应范围,同时我们实验验证了该光功率计在温度稳定性和波长响应方面都有着良好的性能,并论证了该光功率计可以工作在中红外波段。最后,我们总结了全文的主要工作,并对各项工作的后续研究做出展望。