绝缘体上硅材料可以利用成熟微电子工艺制造大规模光电器件,在数据中心及片上等短距离光互连扮演着重要角色。模式复用技术能够利用多个空间模式作为独立传输信道,是应对波分复用多波长光源硅基集成难题及其附带的成本和能耗问题的极具潜力方案。本文的研究对象是硅基多模Y分支及其模式调控技术,目的是为了提高片上光互连通信容量的同时,更为灵活高效地优化调配信道资源。硅基多模Y分支基于绝热演化机制调控模式,在理论上具有灵活的、宽波段的模场调控能力,是构建片上模式复用系统的理想单元器件。然而,目前主流的光刻工艺难以制备理想的多模Y分支波导,导致传统多模Y分支器件的性能劣化严重。本论文研究了高性能的新型硅基多模Y分支,并基于该新型Y分支,结合热光效应、相变材料等,研究了可重构的片上多模模式转换器、多模交叉路由器和双模多端口环形拓扑回路,具有灵活的模式调控功能、良好的器件性能以及潜在的低功耗优点,对于片上模式复用光互连研究具有重要的参考价值和良好的应用潜力。具体如下:（1）提出并制备了一种高性能、多功能、小型化的新型硅基亚波长绝热多模Y分支。采用啁啾亚波长圆孔光栅近似理想的绝热演化分支波导的新思路,解决了有限光刻精度导致传统Y分支器件几乎不可用的重大技术难题。在1.53～1.57μm波段,亚波长四模对称Y分支的平均额外损耗和串扰分别小于0.5 d B和-21.0 d B;基于级联亚波长非对称Y分支的四模模式复用器的平均额外损耗和串扰分别低于0.75 d B和-18.5 d B。（2）提出了基于平行连接和交叉连接多个亚波长多模对称Y分支的马赫-曾德尔干涉仪实现片上多模模式转换的新方案,具有良好的通道数量扩展性。实验验证了支持四个模式任意转换的两种模式转换器,在1.53～1.59μm波段,模式转换的平均插损和串扰均分别低于2.5 d B和-16.5 d B。另外,基于交叉连接的方案所需相移器数量减半,具有潜在的低功耗优势。（3）提出了从“减少光开关数量”和“降低光开关本身功耗”两方面降低片上多模交叉路由功耗的新策略。仿真验证了基于Benes拓扑网络的低功耗四模式2×2无阻塞交叉路由器。首先,基于交叉波导代替冗余光开关的思路,采用暴力扫描算法将开关数量减少了15%;接着,基于亚波长双模Y分支的路由模型,利用Sb2Se3相变材料进行路径切换,无需持续提供能量维持开关状态,实现了一种新型低功耗单模2×2光开关,在1.5～1.6μm波段,其插损与串扰分别低于0.6 d B和-20.0 d B。（4）提出了通过环形连接多个亚波长双模Y分支实现片上双模多端口环形拓扑的新光子回路。实验验证了具有四个端口的可重构双模环形拓扑回路,TE0/TE1模式信号可以按照顺时针或逆时针方向路由到其相邻端口,在1.52～1.58μm波段,TE0/TE1模式的平均插损和串扰均分别低于2.2 d B和-16.5 d B。