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随着5G、大数据、云计算、人工智能及物联网等技术的发展，人们对信息量的需求以指数形式不断增长。传统的电互连难以满足日益增长的数据传输处理要求，而光通信和光互连技术以其高速度、大带宽、低延迟、低功耗等优点成为解决海量数据传输、交换及处理的有效方式，并逐步应用于骨干网传输、数据中心、高性能计算及激光雷达等社会生活的各个方面。硅基光电子因其集成度高、CMOS(complementary metal oxide semiconductor)工艺兼容、易于大规模光电集成等优点，被认为是实现下一代光纤通信网络和光互连的关键。硅基光电子从器件层面可以分为以下几个方面:光源、波导器件、调制器、探测器、硅基光电集成与封装。其中波导器件是硅基光电子器件的基础，按照其功能可以分为:光功率器件、光相位器件、光波长器件、光偏振器件、光模式器件。其中，光模式和偏振器件能够成倍的提高光互连的通信容量，解决硅基光器件固有的偏振相关损耗和色散等问题，成为近几年的研究热点。 本论文从平面光波导的基本理论出发，系统地研究了基于SOI(silicon on insulator)光波导的模式和偏振相关器件的工作原理和设计方法。在此基础上，全面展开了硅基模式复用、偏振控制以及基于模式演化的功率器件的研究，主要工作成果及结论如下。 在模式复用方面，系统地研究了基于多模波导总线和基于单模并行波导总线的模式复用系统。针对多模波导总线型模式复用系统，提出了一种用捷径绝热方法优化其绝热性的模式复用器件，该器件克服了定向耦合器型模式复用器件带宽小制作容差小以及绝热型模式复用器件尺寸较大的缺点，具有大带宽、大制作容差、低串扰、低损耗等优点。实验证明了TE0-TE1，TE0-TE2，TE0-TE3，TM0-TM1，TM0-TM2共5个2信道的模式复用链路，在1500-1600nm波长范围内损耗小于1.1dB，串扰低于-24dB。为进一步验证器件的可扩展性，实验证明了TE0-TEl-TE2-TE34个信道的模式复用链路，在1500-1600nm波长范围内损耗小于1.3dB，串扰低于-23dB。针对单模并行波导总线型模式复用系统，提出了一种基于正弦空间调制的并行波导总线结构，一定参数的正弦空间调制能够有效抑制相邻波导间的串扰，从而保证并行波导高集成、低串扰、低损耗的传输。实验验证了16通道正弦弯曲波导阵列的传输，在1500-1600nm波长范围内，串扰小于-25dB，损耗小于0.8dB。 系统地研究了基于模式演化原理的功率分束器件，提出了利用不变量反向设计的捷径绝热方法来优化的2×23-dB耦合器，相比于传统模式演化型2×23-dB耦合器线性taper结构，该耦合器的波导宽度和波导间隔随着传播方向连续非线性变化，从而在尽可能小的尺寸下实现了宽带、低损、均匀分光的耦合器。实验验证了由该2×23-dB耦合器组成的级联分束、平衡MZI和非平衡MZI三种结构，提取出的结果表明，在1500-1600nm波长范围内，器件损耗小于0.3dB，分光比在0.48/0.52范围内。 在偏振控制方面，提出了多种针对偏振分集需求的无源偏振控制器件，以及多种可调偏振控制器件。(1)实现了宽带、高消光比的偏振分束器件，器件结构上由3个模式转换器组成，在1520-1620nm波长范围内，损耗小于0.8dB，消光比大于25dB。(2)实现了宽带低串扰的偏振旋转分离器件，器件结构上由粒子群算法优化的双层楔形taper和基于捷径绝热的模式解复用器件组成，优化的楔形结构和脊波导型耦合器保证了器件在尽可能小的尺寸下，实现高的偏振旋转效率以及低的串扰。该设计同时适用于C波段和O波段，在1500-1600nm波长，损耗和串扰分别低于0.74dB和-20dB，在1260-1340nm波长，损耗和串扰分别低于1dB和-22dB。(3)提出了一种高性能的偏振分离旋转器件，结构上由bi-level taper和非对称分支结构组成，分别完成TM0-TE1(TE0-TE0)模式转换和TE0-TE1模式解复用的功能，实验结果表明器件在1500-1620nm的波长范围内，偏振转换损耗小于1dB，串扰低于-23dB，偏振消光比大于20dB。(4)提出多种可调的偏振控制器件，包括TE-TM间动态可调的转换器件，TE/TM与任意偏振态的动态可调转换，任意偏振态与任意偏振态的动态可调转换，偏振态分析仪等。(5)提出了多种基于可调偏振器件的偏振型二进制光逻辑门的实现方式。