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光纤通讯自问世以来一直以惊人的速度发展着。随着互联网流量需求的日益增加,基于单模光纤的通信系统传输能力将很快达到其理论极限。模分复用（Mode Division Multiplexing,MDM）技术可从一个新的维度提升通信系统数据容量,从而满足光互连系统对带宽呈指数增长的需求。MDM技术以少模光纤作为信息传输媒介,采用不同的空间模式作为独立的信号通道,可以显著扩展光互连和通信系统的容量。MDM系统的建立离不开一些基本的功能器件,如模式复用/解复用器、模式开关、模式转换器等。这些器件在MDM系统中扮演着不同的角色,互相协作,共同实现增加信道容量的功能。本文针对MDM系统中的提高模式信道容量与带宽、降低模式开关功耗、增强模式转换效率的功能需求,对MDM系统中的核心功能器件进行了一系列的理论设计和实验验证,主要工作包括以下几个方面:1.介绍了光纤通信的发展历史和目前面临的问题和挑战;明确了模分复用技术的研究背景和意义,说明了模分复用系统的结构和基本功能器件;介绍了用于实现模分复用系统的材料平台,其中主要介绍了硅基平台和聚合物平台;介绍了模分复用器件近年来国内外的最新研究进展。2.模式复用器/解复用器用于实现基模到高阶模的转换和复用以及高阶模到基模的转换和解复用,是MDM系统中最重要的组件之一。本论文理论设计了两种模式复用/解复用器。一种是基于级联非对称Y分支的硅基模式复用/解复用器,该结构可以通过增加级联Y分支个数,拓展其处理模式的数量。本文中以4模式和5模式复用/解复用器为例对该结构进行说明。器件的设计基于有效折射率匹配原则,结合束传播法对器件尺寸进行优化。理论计算器件性能为:4/5模式复用/解复用器的整体长度为23/150μm,工作带宽为165/200 nm,宽度制造容差约为±30/±65 nm。二是硅基TM模式复用/解复用器,用于实现TM00、TM01、TM10、TM11、TM20和TM21六种模式的复用/解复用功能。器件由级联的2臂非对称Y分支、沟槽型模式旋转器和3臂非对称Y分支组成,可通过增加级联的Y分支、模式转换器和Y分支臂数量,拓展器件模式信道容量。器件总长度仅124μm,在1550 nm工作波长下可以实现小于0.96 d B的插入损耗和小于-24 d B的串扰。3.模式开关通常用来实现不同模式间的切换或者模式在不同信道间的切换,对于提高MDM系统的灵活性有十分重要的意义。本论文提出了四种不同功能的热光模式开关。第一项工作是基于非对称马赫-曾德尔干涉仪结构的聚合物热光模式开关,该器件可通过控制电极工作状态,实现E00/E10模式至E10/E00模式的切换功能。所制备器件测试结果表明,在1550 nm工作波长下,模式开关的驱动功率约为15.4 m W,对应的消光比为10.5 d B,器件在不同波长下并没有表现出明显模场失真。对模式开关响应时间特性,测得模式开关的上升时间为71.5μs,下降时间为140.3μs。第二项工作是基于级联多模干涉仪（Multimode Interferometers,MMI）的聚合物波导模式选择开关,该器件可在E00和E10模式间实现选择和切换,与其他MDM系统单元器件级联,能够实现更复杂功能。本文将模式选择开关与非对称定向耦合结构模式复用器级联,对所制备模式开关的测试结果表明,在1550 nm工作波长下,三个输出端口的插损分别为17.2 d B、12.8 d B和16.7 d B,下、上端口输出的开关功耗分别为8.5 m W和20.8 m W。第三项工作是一种模式不敏感信道开关,用于实现E00、E10和E01三种模式的2×2可重构信道切换。整体器件由2个2×2 MMI及分支臂波导组成,该对称MZI结构总长度约为1.26 cm。计算结果表明,开关在实现E00、E10、E01三种模式的信道切换时所需开关功耗均为12 m W,对应消光比分别为41.6 d B、39.8 d B和35.6d B,且工作输出对模式不敏感。第四项工作是提出了一种基于MZI与非对称Y分支级联的宽带1×2模式信道开关,通过改变电极的工作状态,输入的E00或E10模式可转换为E00模式并在两个输出端口之间切换。在1550 nm波长下,输入E00模式时,实验测得开关功耗为10.3 m W,插入损耗为3.3 d B（电极不工作）/3.4d B（电极工作）,对应的串扰分别为-18.8 d B（电极不工作）/-16.1 d B（电极工作）,且该器件在1500 nm至1630 nm范围内的对波长变化不敏感。4.模式转换器用于在MDM系统中的接收端和发出端实现不同阶模式之间的转换,本论文中共提出了三种模式转换器。首先是理论设计并实验验证了一种E00-E10模式转换器。该器件具有超宽的工作带宽,理论计算结果显示该器件在1470 nm至1690 nm波长范围内串扰小于-22.6 d B。实验上,受限于实验室激光器输出带宽,仅对器件在1500 nm至1630 nm工作特性进行了表征,在该波长范围内,模式转换器的模间串扰和插入损耗分别小于-15.3 d B和9.2 d B,且C波段内插损和串扰分别小于5.6 d B和-20.1 d B。在前述工作基础上,提出一种基于热光效应的可重构聚合物模式转换器,用于实现E00、E10、E20三种模式中任意两种模式间的转换。该模式转换器由非对称Y分支和定向耦合结构级联而成,灵活性较高。器件总长度约2.17 cm,单个电极工作所需驱动功耗为97.5 m W。此外,基于逆向设计原理,本文利用DBS算法设计了一种硅基TE0/TE1模式转换器,该器件可在实现模式转换的同时,改变光场传播方向（从+y方向到+x方向）。器件整体尺寸仅为2μm×2μm,且模间串扰在1520 nm至1580 nm的带宽范围内小于-22.6 d B。