“大数据时代”对于海量数据的传输和处理能力提出了极大的挑战。片上多核处理器技术的发展缓解了数据处理方面的需求压力，然而多核处理器的核间通信及核与其它组件间短距离通信的数据传输和交换的带宽需求依然是亟待解决的问题。光互连因为其高带宽，低延迟和较低的功耗，相比电互连有着巨大的优势，而硅基光子学的发展为实现片上光互连提供了一种有潜力的解决方案。在光调制器的速率和光交换器件的带宽提升有限的情况下，复用技术提供了一种在单一物理通道中实现更大通信容量的强力解决方案。近年来，模式复用技术获得了广泛的关注与研究。它不需要多路激光器，成熟的半导体工艺对波导结构的精确加工能力使得波导中模式的耦合、转换等容易实现且性能稳定。　　本论文的主要工作是研究在硅基光子平台中引入复用技术，特别是模式复用技术后，片上的光信号产生，传输与交换器件。基于此目的，本文提出和研制了波长选择性调制器阵列与模式复用/解复用器单片集成器件，可扩展的2×2多模光开关，模式选择性四端口路由器，以及基于超材料概念的超紧凑模式交换器件，为大容量的光互连做了一些探索性工作。　　首先，本文基于耦合模理论和相位匹配条件，设计了脊形波导的非对称定向耦合器，并采用级联的非对称定向耦合器设计了四通道模式复用/解复用器。然后利用微环调制器的波长选择特性和非对称定向耦合器的模式选择特性设计了一种集成电光调制、波分复用和模分复用功能的光学总线结构，实现了4×4硅基微环光调制器矩阵与四通道模式复用/解复用器的单片集成。静态表征的结果表明，器件的模式间光学串扰在1525-1565nm的范围内小于-20dB。在高速光信号调制和传输实验中，每个微环调制器上加载32Gbps的信号，通过4个波长信道和4个模式信道的共同复用，实现了4×4×32Gbps的片上信号产生与传输。　　其次，在光交换方面，本文提出了一种用于片上模分复用系统的多模光开关结构，并采用具有相对较大光学带宽的基于非对称定向耦合器的模式复用器/解复用器与基于Mach-Zehnder干涉结构的2×2单模光开关设计了2×2多模光开关。所研制器件的有效面积为740μm×700μm。静态测试结果表明，器件所有模式的链路串扰小于-18.8dB，模式间的串扰小于-22.1dB。实验展示了4个波长通道与4个模式通道共同复用的光信号的传输与交换过程，每个通道的光信号的速率为40Gbps。因为器件采用了热光调谐的机制，其动态切换时间约为21μs。该器件提供了一种用于构建多模大规模片上网络的基本单元。　　与前面提出的主动路由方式的光交换器件相比，被动路由方式的光交换器件具有无路径切换延迟，没有状态切换的能耗等特点。本文提出了一种基于模式选择性路由的四端口光学路由器。它可以实现“一对一”的信号路由，也可以实现“一对多”的信号多播。本文采用非对称定向耦合器构建的模式复用/解复用器和单模互连波导，设计并制作了原型器件。对于研制器件的所有光学链路，插入损耗均小于8.0dB，串扰低于-18.7dB。实现了40Gbps速率的多波长数据传输，10-9误码率下的光功率代价分别为1.0dB(1545nm)和0.8dB(1565nm)。　　再次，为了进一步缩小模式转换器件的尺寸，提高器件集成度，本文提出了一种用于超紧凑模式交换器件的逆向设计方法。利用线性光学的互易性原理，并引入器件结构的垂直轴对称约束，它可以用于任意两个模式之间交换器件的设计。基于此方法，我们设计并制作了一种实现TE0与TE1之间模式交换的超紧凑器件，有效面积为4μm×1.6μm，在1525-1565nm波长范围内模式转换效率为60％～80％，并实现了40Gbps OOK信号和25Gbaud PAM-4信号的传输和交换。　　最后，我们总结全文的主要工作，并对后续工作进行了展望。