随着人们对信息传输带宽需求的不断增加,当前时间、频率、偏振、多进制调制和多光纤等维度的利用已接近极限,空间作为光通信中一个没有被利用的维度,增加并充分利用空间维度是进一步提高光通信容量的有效手段。模分复用作为空分复用的重要组成部分,可以大大增加单根光纤的传输容量,是大幅增加光纤通信信道容量的最有前景的方法之一。而模式转换模块作为模分复用光纤通信系统的基本组成部分,是实现模分复用的必需首先研究的基本问题,也是当前实现模分复用的一个难点技术。其中,硅基集成模式转换器件以其灵活性好、插入损耗低、空间体积小和易于大规模集成的优势而备受瞩目,但其带宽和制造容差有待于进一步改善。因而,本论文拟解决目前实现模式转换存在的制造容差、灵活度、带宽以及可扩展的模式数有限的问题。论文致力于基于MMI的新型光器件的研究,主要研究MMI在模式转换领域的应用,主要研究内容及创新工作如下:1.理论研究和仿真分析了基于硅基定向耦合器的模式转换器。其基本原理是利用波导宽度不同,支持的模式不同,模式的有效折射率也不同。通过合理设计定向耦合器耦合区波导宽度和耦合区长度,分别实现了基模到一阶模、二阶模、三阶模的模式转换。另外,还探讨了弯曲波导长度对耦合长度的影响。2.首次提出一种全新的基于耦合器和相移器的模式转换器件。该器件利用高阶模的电场相邻两个峰值的相位差总是相差π的原理,基模光经过耦合器分光后,通过相移器调节,使相邻波导的模场相位差为π,再经过连接波导输入到适合宽度的波导中,产生对应的高阶模。为了得到宽带宽、大制造容差的模式转换器件,耦合器选取MMI,相移器选取蝶形相移器。在此基础上,设计了一种基于MMI和相移器一阶模模式转换器和两种基于MMI和相移器二阶模模式转换器并进行了模式转换效率、带宽和制造容差特性分析。仿真结果表明,三种器件均有着良好的带宽和制造容差特性,对于小尺寸的器件(整个器件长度在100μm左右),模式转换效率可以达到83%,最高可达89%,器件可以在整个C波段工作,损耗最小可达0.05dB。选择其中的一种二阶模模式转换结构流片制作,进行实验测试,在输出端观察到输出二阶模,实验验证了基于耦合器和相移器的模式转换器件可以实现基模到高级模的转换。基于此原理设计的器件能有效地解决目前实现模式转换存在的制造容差、灵活度、带宽以及可扩展的模式数有限的问题,在未来的实际应用中具有巨大的潜力。3.首次探索了边界对于MMI光场分布的影响。首先,理论推导了MMI器件的自映像原理,介绍了 MMI的性能指标。在此基础上,探讨边界对于MMI光场分布的影响,尤其是当MMI的边界改变周期和光在波导中的传播常数呈一定的倍数关系时;重点仿真了具有sin形状边界的MMI的电场分布情况。通过仿真验证了边界形状改变会对多模干涉区域产生影响。