面对日益增长的通信速度和通信容量要求,拓宽通信波段至中红外波段有望有效解决通信带宽受限的问题。在2μm中红外通信系统中,全光信号处理仍将对系统的运行起到至关重要的作用。硅基波导集成度高、工艺成熟,而且在中红外波段也表现出了良好的非线性性能。本论文针对2μm中红外波段,结合聚合物、金属等多种材料,设计并制作高品质因数大转换带宽的硅基波导,并通过波导中的四波混频效应实现了中红外波段的波长转换。对于复合波导以及强限制波导,描述非线性光学效应的标量耦合波方程不再适用。本论文在连续光泵浦和信号光的入射条件下,介绍了简并四波混频的全矢量耦合波方程,给出了简并和非简并双光子吸收系数以及自由载流子吸收损耗的全矢量计算公式。分析了相位匹配和色散的关系,当泵浦光波长处的群速度色散很小且平坦可以实现大转换带宽。介绍了含双光子吸收系数的品质因数计算公式,可用于分析比较同时受线性损耗和双光子吸收损耗影响的波导。提出了 一种新型的硅基金属等离子体复合波导,并优化其尺寸以获得最优的品质因数并色散调控,当入射光功率为500 mW,波导长度为6.6 mm时,仿真预测了 512nm的转换带宽和高达-6.65 dB的转换效率。作为对比,针对悬空硅波导以及富硅氮化硅波导进行了优化设计。悬空硅波导的非线性性能提升受限于硅材料的双光子吸收引起的非线性损耗,而富硅氮化硅波导的非线性性能提升受限于富硅氮化硅材料的低非线性折射率。优化了硅基波导的整体制作工艺流程,包括化学气相沉积、金属溅射和蒸发沉积、电子束光刻和感应耦合等离子体干法刻蚀等工艺,并加工制作了悬空硅波导、富硅氮化硅波导和硅-富硅氮化硅复合波导。经电镜测试,实际制作的波导与理论设计的尺寸相吻合,侧壁光滑。此外,还给出了硅基金属等离子体复合波导的可行性制作工艺流程。采用端面耦合的方式,对设计并制作的悬空硅波导、富硅氮化硅波导以及硅-富硅氮化硅复合波导进行了线性损耗和四波混频波长转换效率的实验测试,测得的转换效率曲线与理论预测结果相吻合,验证了设计、制作的硅基波导具有高的转换效率和大的转换带宽。在低泵浦功率的实验条件下,悬空硅波导的总体非线性性能优于富硅氮化硅波导和硅-富硅氮化硅复合波导,硅-富硅氮化硅复合波导总体非线性性能经分析介于悬空硅波导和富硅氮化硅波导之间,和理论分析一致。