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全光信号处理的集成化是未来通信系统发展的必然趋势。硅基混合波导具有体积小、易集成、低功耗、色散灵活可调、与CMOS工艺兼容等诸多优势,是一种很好的导光介质。其非线性效应具有飞秒量级的超快响应速度、无源操作和极大的带宽资源等优势,利用硅基混合波导的非线性效应进行可集成全光信号处理是颇具竞争力的方案。本论文主要对槽型结构硫族化物波导中的孤子自频移(solitonself-frequency shift,SSFS)效应及其应用展开了深入的研究,主要研究内容以及论文的创新点如下:1、分析了硫族化物波导产生SSFS效应的性能优势,回顾了全光模数转换器(all-optical analog-to-digital converter,AOADC)和中红外光源的发展概况,分析了光波导中的脉冲传输理论,推导了广义非线性薛定谔方程(generalized nonlinear Schrodinger equation,GNLSE)及两种高效的数值求解方法,讨论了SSFS的物理机制以及决定频移量的主要参数。2、综述了基于波导中SSFS效应的可集成AOADC的基本原理,分析了AOADC的几个重要性能指标包括有效量化分辨率(effective number of bits,ENOB)、微分非线性误差(differential nonlinearity error,DNL)和积分非线性误差(integral nonlinearity error,INL)。对几种典型的硅基混合波导结构进行了仿真对比,验证了槽型波导对入射光极强的束缚能力,分析了水平槽型波导相比垂直波导在制作工艺上的优势。3、在水平槽中填充As2S3非线性材料,设计出了一种具有高非线性系数(139.47 W-1/m)、大反常色散区(870 nm)的水平槽型硫族化物硅基混合波导。利用此波导结构进行了可集成全光光谱量化的仿真研究,对是否考虑非线性色散的频率依赖性两种情况进行了对比分析,主要对考虑非线性色散的频率依赖性这种比较切合实际的情况展开了研究。仿真中,仅在5 cm长的波导中,输入脉宽为100 fs、峰值功率为25 W的双曲正割脉冲,便实现了 388 nm的频移量,在不进行光谱压缩的情况下,实现了 2.68-bit的ENOB。若在SSFS后进行光谱压缩,量化分辨率有望得到大幅度的提升。4、分析了高阶孤子分裂与色散波产生理论,对设计的槽型结构硫族化物波导进行了优化,在通信波段泵浦,获得了稳定宽带的中红外波。仿真中,高阶孤子分裂出的第一个基孤子可红移到2504nm,使得中红外波的可调谐范围超过了500 nm,最大的转换效率达到了 42.41%。在波导中输入峰值功率为130 W、中心波长为1560 nm的双曲正割脉冲,得到了中心波长为2784 nm、带宽为18 nm、转换效率为32.28%的红移色散波(red-shifted dispersive wave,R-DW)。产生的可调谐、高转换率的中红外波可用于中红外脉冲源。