近年来,随着人们对于通信网络数据传输容量和带宽的需求不断提升,传统的集成电路技术已经愈发不能满足人们的需求,而全光通信则避免了光电转换过程中产生的误码、噪声和功耗等问题,可以大幅度提高传输容量和带宽,得到了迅速的发展。硅基光子技术由于材料本身高折射率差、加工工艺与CMOS兼容等优势,便于低成本的超大规模集成光路的批量生产,成为光子学集成领域人们关注的焦点。在各种硅基光器件中,用于实现模式转换的器件由于其能够大大增加波导中传输信息的容量而得到了广泛研究。具体而言,分为高阶模式转换和偏振模式转换两类。其中高阶模式转换可以实现普通光学延迟线延迟量的倍增,从而增大波导的数据缓存能力;而偏振模式转换则解决了硅基器件偏振敏感性的问题。基于此,本文通过理论分析、仿真优化和实验实现了几种新型结构,具体而言分为以下三个部分:(1)针对高阶模式转换器件,通过设计不同参数的非对称锯齿结构变迹光栅,实现了TE0到TE1和TE1到TE2的高阶模式转换,将二者结合在一个延迟结构中,通过多次反向模式转换,将普通光学延迟线的延迟量提高三倍以上,并以此为基础提出了实现更大倍数延迟量的设想。(2)针对基于模式演变的偏振旋转器件进行研究,优化设计出一种前后波导厚度一致且无尖角的新型偏振旋转器,提高了其可集成性和可加工性,并充分发挥其大带宽、高容差的特性,有效实现了偏振模式转换。(3)针对基于模式混合的偏振旋转器件进行研究,通过仿真,实现了一种双阶梯形不对称截面的偏振旋转器,该器件具备高偏振消光比、低损耗、小尺寸等优点,并通过实验证明了其良好的偏振转换特性,在纯硅基集成领域实现了同类器件最高的偏振转换效率。