随着科技的飞速发展和不断进步,人们对于信息传输的容量和信息传输速率的要求也在不断提高。全球光通信中数据流量的不断增长促使各国的研究人员来寻求新的技术和方案来提高光纤通信系统的容量。因为香农极限的限制,单模光纤所能容纳的信息容量正在逐步逼近其理论极限,基于少模光纤的模分复用系统作为解决单模光纤容量限制的最新方案受到了广泛的关注与研究。模分复用技术是通过独立的信道来传输空间模式,具有传输信息容量大、能耗低等多方面的优势。而在模分复用通信网络和片上光互连系统中,基于定向耦合结构的模式转换器件与模分复用/解复用器件起到了至关重要的作用。硅光子技术基于标准的互补金属氧化半导体工艺（CMOS）平台并充分利用成熟的微电子行业技术,有着低成本、器件尺寸小、传输容量大等独特优点,是片上集成光学应用最有前途的方案之一。在此研究背景下,本论文主要对基于定向耦合结构的硅基波导模分复用/解复用器进行了相关研究,主要内容包括以下几个部分:首先,阐述了有关集成硅光子学的发展和硅光子技术的优势,介绍了模分复用/解复用器的国内外研究背景及其在光通信等领域的应用,并对光波导模式理论进行了分析。其次,基于二维平面光波导结构,研究了基于非对称定向耦合器结构的硅基波导模式转换器,实现了E11与E21以及E11与E31模式之间的转换,转换效率可达97.51%以上;在此基础上,进一步提出了一种基于对称型定向耦合器结构的硅基波导滤模器,通过Lumerical-FDTD软件对器件的有效折射率、耦合间距、耦合长度和耦合效率进行了模拟仿真与优化,最终得到了两种能够实现滤模功能的硅基波导滤模器,仿真结果表明该器件能够实现E11,E21和E31这三种模式的滤模功能,三种模式的传输效率都在95%以上,并且可以通过调整耦合区长度来改变模式输出端口。最后,将硅基波导从二维平面结构向三维垂直结构进行扩展设计,提出了一种基于非对称定向耦合器结构的硅基三维波导模分复用/解复用器,实现了少模波导中E12和E21模式与单模波导中E11模式之间的转换。该器件以硅作为波导芯层,二氧化硅作为波导包层,通过优化两个级联定向耦合器的耦合间距和耦合长度,最终实现了E12-E11和E21-E11模式之间的耦合效率分别为97.6%和95.1%,串扰均小于-30 dB。同时,基于晶圆键合技术,对基于非对称定向耦合器结构的硅基三维波导模分复用/解复用器的制备进行了工艺设计。