近年来,光子集成技术的发展有了长足进步,其中以硅基光子集成回路（PIC）最为显著。硅基PIC的快速发展不仅依赖于成熟CMOS集成电路的制造工艺,还离不开高效率的光波导/光子器件计算机辅助设计（O-CAD）软件支撑。随着PIC集成度的进一步提高,新型材料/结构的应用,对O-CAD软件提出了更高的要求。O-CAD软件的核心是光波导/光子器件数值分析方法。本文针对经典光波导/光子器件数值分析方法存在的问题,结合具体光子器件特点及设计需求,提出了数种改进型光波导/光子器件高效数值分析方法,并通过典型的数值测试或器件设计对其进行了验证。从Maxwell方程组出发,本文首先推导了用于光波导/光子器件分析的电磁动力学基本方程。在此基础上,提出了一种改进型全矢量有限差分模解器模型,该模型通过优化的高精度差分离散处理,使得粗网格划分也能获得更精确结果,从而提高计算效率。针对广泛存在于光波导/光子器件中的纵向不连续性问题,提出了基于Denman-Beavers迭代算法的高效分析法,该方法比传统方法（如Pade逼近法）具有更快的收敛速度和更好的稳定性。为适应实际光子器件的模拟分析需求,进一步提出了更为复杂的三维半矢量/全矢量分析模型,尤其在全矢量分析模型中,严格考虑了纵场分量的影响。其次,重点研究了亟需发展的广角束传播法（WA-BPM）和双向束传播法（Bi-BPM）。提出了基于Denman-Beavers迭代的WA-BPM,并通过典型数值测试证明了该方法具有收敛速度快、可正确处理消逝波等优点;针对纵向结构渐变型波导,提出了一种基于窗口剪切和数值移束技术的WA-BPM,该方法可有效的提高计算效率而对精度几乎没有影响;针对平面光波光路的特点,提出了一种基于交替方向隐式的三维WA-BPM,该方法把三维问题转化为二维计算,极大的提高了计算效率;针对Bi-BPM,提出了一种预处理方法,该方法可提高Bi-BPM中迭代求解的收敛速度从而提高效率;此外,本文还提出了一种改进型的双向传输算符计算方案,该方案允许更大的传输步长仍能保证精度,并且可正确的模拟消逝波的物理传输过程。然后,研究了近年来在光子器件分析中引起关注的高精度多域伪谱法（MD-PSM）。构建了 MD-PSM光波导模式求解模型,提出一种基于MD-PSM电场的求解方法,该模型仅需要少量配点即可获得精确结果,计算负担远小于经典的有限差分法。此外,本文还分析了 MD-PSM不能很好延伸到BPM算法的原因,并提出了加权方法强加横向边界条件的解决方案,基于此构造了一种稳定的WA-BPM算法,并将此方法应用于波导不连续性问题的分析,然后将两个过程集成起来构建了一种反射式的BPM算法。针对硅基材料的特点和具体的设计需求,接着构建了以电流源密度为初始激励的频域有限差分法（FDFD）传输分析模型和模式求解模型。使用FDFD设计了一个基于亚波长光栅的的十字交叉槽式纳米线偏振旋转器。器件的旋转区长度仅有12.6μm,工作在1.55μm通信波长时的偏振转换效率、插入损耗和反射损耗分别为97.2%、0.71dB和-20.5dB。此外,该器件可以在260nm的大带宽范围下保证偏振转换效率大于90%、插入损耗低于1dB,高于同类器件水平。最后,进行了全文总结并给出了未来工作展望。