模式分束器是一种可以将一路光信号按照模式的不同分束并导入旁路波导传播的无源光子器件。近年来随着模分复用技术的发展,模式分束器逐渐成为研究热门,已被广泛应用于光通信、光子元件制造和光互连等领域。本文运用模式理论,对硅基波导的结构进行改变,设计并数值仿真了可以保持模阶不变的模式分束器和多偏振分束器。本文首先调研了国内外模式分束器的研究进展,指出现在的偏振分束器只能工作于基模以及模式分束器分离特定模式时模阶都会改变的局限性。然后研究了片上波导器件的理论计算方法:时域有限差分算法和光束传播法;并比较了两种算法的差异和优势。然后又介绍了平面波导的结构模型和模式耦合理论,指出了微扰对模式耦合的重要性。其次通过研究普通条形波导和沟槽波导中的模式的特点,发现条形波导中引入空气狭缝时,TE₁模式的模场分布和有效折射率变化并不明显,而TE₀模式的模场分布和有效折射率变化却非常大,从而据此设计出了可以保持模阶不变的模式分束器。利用时域有限差分算法仿真了器件性能,在100nm的宽带上,TE₀模式损耗小于-0.1dB,串扰小于-25dB;TE₁模式的耦合效率大于-1dB,串扰小于-16 dB。仿真制造容差后发现,在±10 nm的容差范围内器件仍能正常工作。对结构进行优化并利用光束传播法仿真验证,发现该器件不仅可以选择性地分离TE₁模式且保持其模阶不变,对于任意高阶模均可实现此功能,扩展了本方法的应用范围。最后设计了一款可以分离总线波导中某种偏振模式的多偏振分束器,并利用时域有限差分算法进行仿真计算。该器件可以将总线波导里的全部横磁模分离出去,在60nm宽的波段内消光比达10dB,而所有的横电模仍留在总线波导中传播,插入损耗小于-0.5dB。仿真制造容差后发现,在±10 nm的容差范围内器件性能仍保持良好。