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随着云计算相关应用的普及,以及虚拟现实、人工智能的发展,人们对网络容量的需求呈爆炸性增长,为适应这种需求,光纤通信系统正在从多通道、高速率向超高速、超大容量、超长距离的方向演进。将波分复用（Wavelength Division Multiplexing,WDM）技术和模分复用（Mode Division Multiplexing,MDM）技术相结合可以成倍地提高系统的容量和频谱效率,因此波分-模分混合复用（Wavelength-Mode Division Multiplexing,WMDM）光通信系统是未来超大容量光通信系统的发展方向。在WMDM光通信系统中,低损耗、低串扰的波分-模分混合复用/解复用器（Wavelength-Mode Division（De）Multiplexer,WMMUX/DEWMMUX）是关键器件。如果将分立的波分复用器（Wavelength Division Multiplexer,WMUX）与模分复用器（Mode Division Multiplexer,MMUX）结合实现WMDM,将造成额外的耦合损耗与串扰。随着光子集成电路向小型化、集成化的方向发展,采用光子晶体（Photonic Crystal,PC）实现WDM与MDM的集成将成为WMDM光通信系统中关键器件的主要发展方向。本文首次提出基于PC的WMMUX/DEWMMUX,采用不同宽度的线缺陷波导实现模式转换、点缺陷微腔实现波长选择、锥形波导（Tapered Waveguide,TW）实现模式有效耦合,在PC上实现了WDM和MDM的一体集成。本文围绕减小波长间隔、增加器件信道数展开研究,优化设计了新型的PC WMMUX/DEWMMUX,论文的主要内容包括:（1）构建了PC WMUX/DEWMUX的理论模型,应用时域耦合模理论,对器件进行了理论分析,得到实现高效率WDM时器件参数需要满足的条件。提出了基于2D正方晶格PC的1550nm/1570nm的WMUX/DEWMUX。采用点缺陷微腔进行波长选择,并且仅引入一个波长选择反射微腔和一个耦合介质柱就实现了高效的WDM。该器件结构简单,尺寸小,插入损耗低,信道串扰小,有利于WDM和MDM的单片集成,可降低PC WMMUX/DEWMMUX的复杂度。（2）提出了基于PC的两模式和四模式的MMUX/DEMMUX,利用麦克斯韦方程组,分析了引入线缺陷形成的光子晶体波导（Photonic Crystal Waveguide,PCW）的宽度与传输模式个数的关系。应用横向耦合模理论,对模式转换的效率进行分析,得到实现高效模式转换时波导宽度和耦合长度需要满足的条件。采用不同宽度的PCW实现了模式转换,对PCW之间的耦合进行优化。引入TW实现了不同模式的耦合。优化非对称平行波导（Asymmetric Parallel Waveguide,APW）的结构,在增加模式数的同时控制器件的尺寸。本文提出的PC MMUX/DEMMUX结构简单,易于拓展,有利于PC WMMUX/DEWMMUX信道数的拓展。（3）从耦合模方程出发,导出了适用于PC WMMUX/DEWMMUX的耦合模理论（Coupled Mode Theory,CMT）,并用该理论分析得到实现高效WMDM时,器件的关键参数的选取条件。分别提出了三种不同结构的PC WMMUX/DEWMMUX,通过优化器件的结构和结构参数,将波长间隔从240nm减小至10nm,信道数从4个拓展至8个。研究结果表明,该器件的插入损耗低于0.39dB;信道串扰低于-15.86dB,结构简单,性能优异。然后对器件进行了容差分析,验证了理论分析的准确性,为器件的实际制作提供了重要参考。（4）利用VPI Transmission Maker仿真平台搭建了WMDM光通信系统,将本文提出的PC WMMUX/DEWMMUX应用在系统中,最终实现了八个链路速率为40Gbps的4QAM信号的混合复用。该系统可以实现80km的稳定传输,并且传输性能良好,误码率低于7.81×10-4。综上所述,本文从耦合模方程出发,导出了适用于PC WMMUX/DEWMMUX的CMT,在理论分析的基础上提出了PC WMMUX/DEWMMUX,利用时域有限差分法（Finite Difference Time Domain,FDTD）仿真器件的性能,分析了影响性能的几个关键参数。最后将PC WMMUX/DEWMMUX应用在WMDM光通信系统中,并利用VPI仿真平台分析系统的性能。这些成果对光子集成器件和WMDM光通信系统的发展具有重要的学术意义和潜在的应用价值。