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过去十几年来,用户对带宽的需求一直呈指数级增长,在未来很长的时间里,这种增长趋势会一直保持。作为电信基础设施的骨干技术,光纤通信技术的进步支撑着互联网和移动互联网业务的发展,但受限于熔融光纤的非线性效应,单模光纤传输容量的理论极限大约为100 Tb/s,近几年的实验结果表明,以单模光纤为传输媒介的通信系统的传输容量,已经越来越接近其理论极限,即将面临“带宽瓶颈”。在这种背景下,空分复用技术作为突破“带宽瓶颈”的重要技术方案之一,成为业内的研究热点。模分复用技术,通过开发空间模式作为独立的信道来传输光信号,是空分复用系统的重要组成部分,模分复用技术具有传输信息的成本低和能耗低等方面的优势,近十几年来,模分复用技术不断地发展进步,日趋成熟,以少模光纤或多芯-少模光纤为传输媒介的超大容量、长距离的模分复用光纤通信实验系统已经被报道验证。在已报道的模分复用光纤通信实验系统中,绝大多数只实现了无源的点到点通信,实际应用的光纤通信以光网络的形式呈现,未来的智能光网络应具有动态的可重构特性,应具备信道的开关路由和分插复用等功能,以方便网络的管理者进行信息管理和资源分配。为满足智能光网络的发展需求,需要发展可重构的模分复用光网络,需要开发具有可重构特性的光器件来实现不同模式信道的开关路由和分插复用,目前已报道的相关器件绝大多数为微机电型器件或热光型器件,这两种器件的响应速率为毫秒或微秒量级,速率较慢,相比之下,电光型器件的响应速率可达纳秒甚至皮秒量级,具备高速的优势,目前已报道的应用于可重构模分复用光网络的电光型器件较少,功能也不全面,因此开展相关研究以满足高速可重构模分复用光网络的发展需求具有重要意义。铌酸锂是一种成熟的电光材料,其物理和化学性质稳定、电光系数大、光吸收损耗低,基于铌酸锂材料的电光型器件的功耗较小,基于传统的钛扩散或退火质子交换工艺（APE）制作的铌酸锂光波导高速电光调制器、高速电光开关等器件已经获得非常成熟的商业应用。近年来,铌酸锂薄膜平台吸引了广泛的关注,铌酸锂薄膜光波导的芯层和包层之间的折射率差较大,光波导对光信号的束缚强,弯曲损耗小,可以实现高密度的单元器件集成,同时由于铌酸锂薄膜光波导的尺寸较小,可以设计间距较小的调制电极,电极施加的调制电场强度大,电光调制效率高,器件的驱动电压较小,已报道的铌酸锂薄膜光波导高速电光调制器、谐波频率转换器等器件,其性能参数相比传统的钛扩散或APE工艺制作的铌酸锂光波导器件具有极大的提升。在应用于可重构模分复用光网络的电光型器件方面,在作者进行相关研究之前,仅有一些基于APE工艺制作的铌酸锂光波导电光模式转换器被报道,这些器件只能实现模式之间的相互转换,不具备模式的开关路由、可重构分插复用等功能,以此为出发点,本论文围绕应用于可重构模分复用光网络的新型铌酸锂光波导电光型器件展开研究,在以下几个方面完成了创新性的研究工作:1.在APE工艺制作的铌酸锂光波导平台上,提出并验证了一种基于可调谐非对称定向耦合器的电光模式开关器件,实验验证了三个分立的器件,分别可以实现少模光纤中LP11a、LP11b和LP02模式的可重构分插复用,在1550纳米波长的插入损耗分别小于5.0 d B、4.0 d B和5.5 d B,模式相关性损耗分别小于0.9 d B、1.0 d B和1.5 d B,模间串扰分别小于-12.5 d B、-19.0 d B和-25.0 d B,在C波段范围内的模式耦合效率分别大于67%、40%和54%;并在此基础上,还制作了一个集成的三模电光模式开关器件,该器件能够同时实现少模光纤中LP11a和LP11b两个模式的可重构分插复用,在1550纳米波长的插入损耗小于9.0 d B,模式相关性损耗小于5.0 d B,模间串扰小于-16.0 d B,在C波段范围内的模式耦合效率超过了69%,该器件的开关响应时间为200纳秒到300纳秒,比微机电型器件或热光型器件要快出2到5个数量级;同时为了解决APE工艺容差较小的问题,提出了一项无源的后调谐技术,能够有效得补偿工艺误差造成的相位失配,提升器件的工作性能;此外还提出了一种宽带电光模式开关器件的设计方案。2.在键合工艺制作的埋入式铌酸锂光波导平台上,提出并验证了一种模斑转换器,该器件能够实现光纤模式和APE铌酸锂光波导模式之间相互转换,有效解决APE铌酸锂光波导和少模光纤之间的模式耦合问题;通过进一步将键合工艺、研磨抛光工艺和APE工艺相结合,提出了一种基于双层铌酸锂光波导垂直非对称定向耦合器的电光模式开关器件,所制作的两个垂直非对称定向耦合器分别实现了单模波导中的LP01模式和少模波导中的LP21b以及LP02模式之间的相互耦合,在C波段范围内,LP01和LP21b模式之间的耦合效率小于56%,LP01和LP02模式之间的耦合效率小于18%。3.在刻蚀工艺制作的铌酸锂薄膜光波导平台上,提出并验证了两种电光型器件,分别为基于级联马赫曾德尔干涉仪（MZI）的可重构双模模式复用器和解复用器,以及基于可调谐对称双模定向耦合器的电光模式开关,其中基于级联MZI的可重构双模模式复用器和解复用器,实现了TE11和TE21两个模式的可重构复用和解复用,在1550纳米波长的插入损耗小于14.5 d B,模式相关性损耗小于0.2 d B,模间串扰小于-16.9 d B,在C波段范围内的模式耦合效率大于98%,开关响应时间为20纳秒到30纳秒,比微机电型器件或热光型器件要快出3到6个数量级;而基于可调谐对称双模定向耦合器的电光模式开关器件,实现了TE21模式的可重构分插复用,在1550纳米波长的插入损耗小于16.6 d B,模式相关性损耗小于4.2d B,模间串扰小于-30.0 d B,在C波段范围的模式耦合效率大于65%。实验结果表明,所制作的铌酸锂薄膜光波导器件具有器件尺寸小、响应速率快、电光调制效率高、波长带宽大等方面的优势。