硅基芯片作为超大规模集成电路的基本组成部分，在现代电子工业发展中一直占据主导地位。随着高性能计算要求的提高及数据中心互连密度的上升，铜线作为传统互连媒介从带宽、损耗以及抗干扰等方面越来越显现出其局限性。为打破这种极限，光互连被认为是一种有前途的解决方案。硅基光子集成器件由于可利用现有标准半导体制造工艺较为廉价地制备并方便与微电子芯片集成，成为实现光互连的首要候选，具有巨大发展前景。近年来，基于绝缘体上硅结构（SOI）的无源与有源器件的研究齐头并进，成为光电子领域最热门的方向之一。硅基光子技术不仅能够为光通信系统提供光电集成解决方案，而且还快速拓展于能源、环境、医疗、生物、传感等领域。其中，微环谐振腔是硅基光子技术中最重要的器件之一。由于微环腔体的形成不需要腔面，使其具有显而易见的可集成优势，其微纳尺寸可以支持大规模单片光电集成。本论文首先详细介绍微环谐振腔的基本理论与特性测试，然后对具有模式分裂的微环谐振腔进行理论分析并建模。最后，利用这种具有模式分裂的微环谐振腔分别实验演示了可调光延迟线和理论设计了电光调制器。概括全文的研究成果与贡献，可以总结为以下几个方面：1．硅基微环谐振腔中模式分裂的建模分析1)基于耦合模理论（CMT），对硅基微环谐振腔中的模式分裂现象进行分析。首先讨论了微环中顺时针与逆时针传播的模式之间相互耦合的产生原因，通过引入耦合系数研究了耦合强度对模式分裂的影响。研究表明值越高，模间耦合强度越大，模式分裂现象越明显。2)将硅基微环谐振腔侧壁褶皱近似为布拉格光栅组合，对侧壁褶皱所引起的模式分裂现象进行建模。在模型中，侧壁褶皱被认为是由凸起高度为30-50nm，周期为~100nm的光栅组合而成。模式分裂通过在微环谐振腔的频谱响应中引入光栅的反射特性来分析，并与实验数据拟合，验证了模型的准确性。2．硅基微环谐振腔中实验演示可调光延迟线1)在单波导耦合的模式分裂硅基微环谐振腔的反射端口实验演示可调慢光延迟。对于单波导耦合的微环谐振腔的透射端口（Through port），当输入光脉冲的中心波长位于产生的两个分裂谐振峰上，其群速度色散为负值。在反射端口（Reflectionport），微环谐振峰处的群速度色散为正值，而且慢光延迟可调。我们首次实验验证了光脉冲在微环反射端口的延迟特性，延迟量达到25ps。2)在双波导耦合的模式分裂硅基微环谐振腔中实验演示快慢光连续可调。在下行端口（Drop port）的两个分裂谐振峰处的群延迟为正值，而在两个分裂的谐振峰之间，群延迟为负值。因此，当光脉冲的中心波长从谐振峰处移动到谐振峰之间时，光脉冲从慢光延迟转变为快光前移。我们首次实验演示了利用硅波导中的热光效应实现连续快慢光可调延迟线，光脉冲串连续地从前移6ps变化为延迟29ps。3)实验演示了一种增强快光效应的微环谐振腔结构。通过将欠耦合的微环谐振腔结构与萨格纳克（Sagnac）环相连，输入光通过微环谐振系统两次，群延迟绝对值增加一倍，快光效应由此增强。实验中采用微纳光纤代替硅波导，概念性实验演示了5Gb/s归零（RZ）脉冲串的快光特性，前移量为25ps。3．基于模间耦合可调微环谐振腔，设计高调制深度、低功耗的硅基电光调制器1）在跑道型硅基微环的部分区域刻蚀周期性圆孔构成可调光栅，实现模间耦合可调。可调光栅的存在导致后向传播行波产生并与前向传播行波发生耦合。通过硅基自由载流子效应调制光栅的等效折射率，使得光栅反射频谱发生蓝移，微环谐振峰处的光栅反射率随之发生变化。光栅反射率越大，模间耦合强度越高。2）利用模间耦合强度可调的特性设计光强度调制器。当微环谐振波长处对应的光栅反射率变化时，模间耦合在强弱之间转换，导致下行端口（Drop port）原有的谐振峰发生分裂现象，谐振处的频谱响应在谷峰和谷底之间转换，从而实现光强度调制。仿真证明该调制器可达到13dB的调制深度以及10GHz的3dB带宽，同时保持1.9dB的插入损耗以及122.3fJ/bit的能耗。