硅基片上模式复用系统在多个本征模式中携带传输的信号，能够有效地提高系统传输的带宽，具有小体积、高集成度的优点。构建片上模式复用系统需要有很多基础的器件，其中多模功分器能够同时对多个模式实现功率的多端口分配，对端口功率一致性、带宽特性、低损耗特性等都有相当高的要求。
　　本论文基于多模干涉耦合器(Multimode Interface Coupler，MMI)的分光原理，提出了两种不同结构的硅基集成多模功分器和相应的优化设计方法，并制作、测试了所设计的器件，同时，对器件结构、优化方法、工艺误差进行了讨论和分析，本论文主要内容如下：
　　(1)总结了几种硅波导耦合器结构的研究进展，在实现多模功分器中存在的问题，以及现有多模功分器的设计原理和方案。对硅基波导的各阶模场进行了分析，阐述了多模干涉耦合器的分光原理，并介绍了硅基器件的制作工艺流程与实验测试方法。
　　(2)提出了基于导模激励系数法的N个模式3dB功分器设计模型和优化方法。基于一般干涉型MMI的分光原理，针对高阶导模的激励引入的相位误差，提出了导模激励系数法，以最大化低阶导模激励系数和为目标，通过合理选择结构参数以限制输入光场对于高阶本征导模的激励，减小相位误差。阐述了器件结构、导模激励系数法的设计流程，设计、制作并测试得到器件的TE0平均额外损耗小于0.44dB，TE1的平均额外损耗小于0.76dB，平均串扰均小于–20.5dB，同时，设计方法可以支持更多个模式的3dB功分，仿真得到的TE2平均额外损耗小于0.9dB。此外对导模激励系数法的优化效果、取值条件、器件的工艺误差进行了讨论和分析。
　　(3)提出了基于多段式多模波导结构的双模3dB功分器和设计方法。基于对称干涉型MMI的分光原理，针对基模和高阶模的自镜像效应差异，提出了多段式多模波导结构，通过粒子群算法优化多段多模波导的宽度，以调控基模和高阶模的拍长，减弱自镜像效应差异。阐述了优化设计流程，包括定义优化目标、设定结构参数范围等，测试得到的多模3dB功分器在整个60nm的宽谱范围内对TE0的平均额外损耗小于0.9dB，对TE1的平均额外损耗小于0.82dB，平均串扰均小于–19dB。此外对器件结构的改进、粒子群算法的最优解、器件的工艺误差进行了详细的分析和阐述，同时，提出的结构和设计方法可以设计更高阶模的3dB功分器，设计的TE2的3dB功分器的平均额外损耗为0.62dB，平均串扰低于–18dB。
　　本论文提出的两种多模3dB功分器，相较于现有的设计方案，器件结构简单，具有插入损耗小、串扰低的优点，同时具有良好的工艺误差容忍性，对于模式复用系统具有较大的应用价值。同时，提出的导模激励系数法可以进行设计更多模式的3dB功分器，基于粒子群算法设计的双模3dB功分器，最终器件的长度仅为12.1μm，具有超小尺寸的特点，能提高片上系统的集成度。