为了满足云计算和数据密集型应用对高速数据传输的需求,光互连作为缓解通信瓶颈的下一代解决方案受到了广泛的关注。由于高折射率对比度、通信波段的高透明度以及与成熟的互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺的兼容性,绝缘层上硅(SOI)平台非常适合于光互连。另一方面,各种先进的复用技术如波分复用(WDM)、偏分复用(PDM)和模式复用(MDM)也被用来提高通信容量。可选择地,由于可以同时应用多个空间模式来进一步提高单波长光互连链路的吞吐量,片上MDM技术正成为一种新兴的技术。所有的模式通道共享来自单个半导体激光器的波长,因此它是一种有效降低硬件成本和功耗的技术。WDM系统已经显示了巨大的商业价值,类似地,集成各种多模元件的MDM系统也有着非常大的应用前景。本文的研究对象是片上可重构多模器件以及基于这些关键器件构建的MDM系统,目的是为了有效地提高光互连信息吞吐量。构建MDM系统的器件主要分为三类:模式复用器、传输链路种的多模器件和可重构多模器件,分别实现模式的复用,传输,和选择性路由的功能。这三类器件的性能也成了限制单片集成MDM系统发展的关键挑战。我们在三方面都做出了代表性的工作,并且在这些高性能多模器件的基础上,我们构建了一个大规模单片集成的MDM系统。本论文的主要内容有以下几个方面:(1)模式复用器在片上MDM系统中起着非常重要的作用。高性能模式复用器需要低串扰、宽带宽、低插入损耗、大工艺容差和高扩展性。我们提出三种高性能的复用器:由绝热耦合器和Y分支组成的双模复用器、可避免模式冲突的双路多模复用器和基于绝热耦合器的偏振复用器。(2)实现连接和传输功能的无源器件是芯片级布局的关键。高性能滤波器、弯曲波导和交叉波导是构成完整的片上光子回路不可缺少的部分。本文在实验展示了一种适用于硅基平台的MDM光网络的可调滤波器。另一方面,设计尺寸紧凑型的多模弯曲波导和多模交叉波导是一个很大的挑战。我们提出了一种易于制作的90°极小弯曲半径的多模波导和一种超小型低损耗的多模波导交叉方案。多模波导交叉和弯曲波导在同类器件中尺寸达到了最小。(3)可重构光子集成器件是保证高速数据传输、低延迟和低功耗的光网络单元器件之一。为了实现信号在不同自由度的可重构操控,我们提出并演示了无需解复用的1?×?1多模开关和1?×?2多模开关。为了扩展可重构路由的自由度,我们提出了一种2?×?2多模光开关,可实现灵活的片上光网络的可重构模式间和路径间路由。多模开关可轻松升级到更大规模。它进一步扩展到两种类型的4?×?4开关阵列结构,作为高层次集成的展示。(4)为了让MDM技术更加实用化,我们在实验上演示了大规模的硅基集成MDM系统。通过引入外部光载波,再经过微环调制器的并行光信号调制、模式复用/解复用、数据传输、多模信号可重构交换操作,以及锗探测器的并行光信号检测,实现片上数据传输和可重构路由功能。