光通讯网络是支撑现代信息社会发展的重要核心系统。互联网的飞速发展使数据通讯量呈指数增长,但受限于单模光纤的单波长传输容量限制,传统光通信系统中基于波分复用技术的带宽拓展已经很难满足流量的飞速增长,需开发与利用不同的光维度来提升光纤的传输能力。近年来,模式分离与复用技术（Mode Division Multiplexing,MDM）以其独特的优势和发展潜力,获得广泛关注。MDM是一种通过有效利用光纤中不同模式,增强网络传输容量的新方法。与波分复用类似,它通过光模式的拓展来提升传输容量,该技术可以与多芯光纤结合,使光主干网络同时容纳并传输利用多种模式,以有效增加信道的容量。本文对MDM系统中的核心器件-光开关、模式转换器及复用/解复用器进行了理论设计与实验制备,完成了相关器件的理论分析与设计,并利用紫外光刻和等离子刻蚀等标准工艺完成了器件制作,并对其进行了表征与测试。论文主要包括以下几部分:1.设计并制备了带有空气隔离槽结构的低功耗无偏置1×4热光开关,实现模分复用系统中不同模式复用通断控制。采用光束传播法设计了器件结构,通过控制不同电极的工作状态,使光信号分别被路由到4个输出端口。该器件将二氧化硅作为衬底以提高其响应速度,通过刻蚀出空气隔离槽及采用聚合物波导降低器件的功耗。采用有限元法计算对比了二氧化硅和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）做衬底、有空气槽和无空气槽情况下开关的性能。对所制备开关器件的测试和表征结果显示,波导通光状况良好,开关响应的上升与下降时间分别为160和80μs,消光比20 dB,开关功耗6 mW。2.设计了一种采用X节垂直耦合结构的模式转换器,以及基于X节垂直耦合结构的模式复用/解复用器。三维垂直结构模式转换器的上、下两芯层折射率相同,通过改变波导几何尺寸和夹角,可实现从LP₀₁到LP_11a、LP_11b、LP_21a模式的转换。基于该模式转换器所设计的模式复用器件可实现LP₀₁、LP_11a以及LP_21a模式的复用与解复用。论文还对器件的工艺容差,带宽,以及容量拓展方法进行了分析与讨论。3.设计了一种低功耗的光模式转换开关阵列,详细分析了光场和电极通断与模式输出的关系。通过控制不同电极的工作状态,可以实现LP₀₁、LP_11a、LP_11b、LP_21a四种模式的15种不同组合与通断,最大模式组合驱动功耗仅需18 m W。该器件可以与光纤或波导结合,从而构建完整的模分复用系统。