硅基光子集成回路是把各类光子器件集成在成熟的硅工艺平台上,形成一个能完成特定功能的高集成度的回路结构。这种以光为主要通信载体的回路具有电子集成电路所没有的优势,如:大带宽、低功耗和大容量等等,在通讯系统中表现出巨大的潜力。硅材料具有高折射率和良好传输特性,是制作光传输器件的极佳载体,目前已有大量不同类型的基于硅的光器件模型,如光探测器、调制器、分束器和模式转换器等等。光具有多个可复用的维度,基于光的传输系统常常会采用复用技术来进一步提升系统的传输容量。在基于不同光模式的模式分复用技术中,模式转换器可以实现不同模式之间的转换,产生不同的模式通道,是模分复用系统的基础。模式转换类型大致可以分为三类,TE模式间的转换、TM模式间的转换和TE与TM间的转换,而模式转换器的实现结构则多种多样,如:超表面结构、刻蚀结构、光栅结构和引入介质或者金属结构等等。此外,基于模式转换的基本原理,利用高级计算力和算法,提出了各种结构优化算法,如:拓扑优化、反向设计和深度学习算法等。本文提出了三个具有扩展性的光模式转换方案,分别运用了浅刻蚀结构和引入金属层,实现了不同类型的模式转换（模阶数转换是改变了模式阶数的模式转换）。1、TM模式间的转换,通过在硅波导表面浅刻蚀的方式,实现了TM0-TM2转换,浅刻蚀在硅表面引入了一个微扰图样,在等效介质和模式耦合的作用下,输入的TE0模式会在传输过程中积累相位差并形成TM2中的三个光束。此外,该器件所使用的浅刻蚀图样具有很好的拓展性,通过对结构的调整得到了TM0-TM1的转换器,转换效率为85%。2、TE与TM之间的转换,利用金属对光的强作用和等离子体效应,提出了含金属的TE0-TM1的模阶数转换器。金属层是三段结构直接沉积在硅波导表面,采用了适当的厚度,抑制了金属对光损耗,具有较好的性能,且长度仅为3.5μm。3、TE模式间的转换,基于金属锥形,提出了一系列的TE模阶数转换器,实现了TE0-TEn的转换。金属与硅表面只存在TM极化光,通过金属的结构设计可以抑制TE模式光在金属的作用下耦合成TM光,而TE光在金属区中仍会受到金属的强作用,并在经过过模式演变后形成各种TE高阶模式,由于金属的存在使演变过程大大缩短,最终得到了极小尺寸的系列TE模阶数转换器。以上三个方案都是对不同类型的模式转换的补充,TM0-TM2模阶数转换器为研究较少的TM偏振相关的模阶数转换器提供了参考,尤其是第三个方案提出的TE系列模阶数转换器,运用了金属结构缩小器件尺寸,有望在将来运用到光子集成回路之中。