随着现代通信技术的飞速发展,传统的微电子行业的发展逐渐出现瓶颈,人们希望能通过集成光路的实现来打破传统的“摩尔定律”。而硅基光电子学由于材料自身的优异性以及制造工艺与传统微电子的CMOS工艺相兼容等特点越来越受到关注。在硅基光电子学中,硅基耦合器作为重要的硅基无源器件,是实现光的片上合束和分束的关键。而相比与常见的定向耦合器(DC)和Y分叉耦合器,多模干涉(MMI)型耦合器具有损耗低,工艺容差性高,带宽大,偏振不敏感等诸多优势,已经得到了广泛的应用。但是传统的MMI器件结构较大,关于小型化的硅基MMI报道最近几年才出现。为了满足硅基集成的需要,本文将致力于小型化,低损耗,分光均匀性好的硅基MMI的设计,整个器件的大小在几个微米量级。在不同类型的硅基MMI设计中,需要一个普适性的理论设计模型来确定设计参数。本文从MMI的自映像成像原理出发,利用导模传输分析法(G-MPA)对MMI中的模场分布情况进行分析,得到了三种干涉类型MMI的一般性成像规律。结合理论基础,论文对不同类型MMI中的相位关系作了详细分析。论文基于理论设计模型,确定相应的理论参数。针对对称干涉型1×2 MMI和配对干涉性2×2MMI,提出了采用线性,抛物线型楔形波导(Taper)的方法来减小器件的损耗。通过对MMI成像原理分析,提出了采取抛物线型多模波导耦合区的方法来优化2×2MMI的损耗和不均匀度。通过仿真得到的1×2MMI的附加损耗小于0.05dB,2×2 MMI的附加损耗小于0.25dB,且3dB分光不均匀度在0.2dB以下。而在实际的光开光和光相控阵的应用中,MMI中的相位是影响整个器件性能的重要参数,论文通过仿真得到的1×2和2×2 MMI中相位关系与理论相差很小。通过优化得到的MMI主要的性能已达到很高的水平,完全满足片上集成的需要。然后论文基于仿真结果,对初步设计的器件进行加工和测试。针对MMI器件的损耗很低的情况,论文中采取了多个MMI级联的方法来设计出合适的L-edit版图。再根据现有的实验条件进行平台的搭建,通过测试得到1×2 MMI的附加损耗在0.3dB,2×2 MMI的附加损耗在0.7dB左右,分光不均匀度在0.3dB左右。测试结果表明,初步设计的MMI已满足硅基器件片上光耦合的需求。最后,对于MMI在硅基器件中的实际应用,利用设计的1×2MMI,提出了一种基于MMI和DC的1×2热光开光。在现有的硅基有源测试平台的基础之上,对热光开光的性能进行了测试分析,得到的器件消光比大约在20dB,加热功率为16.5mW,上升时间和下降时间在17sμ和3μs左右。实验结果表明所设计的硅基MMI的性能满足在热光开光中应用的实际需求。硅基MMI的设计对于硅基集成影响巨大,进一步对硅基MMI的指标优化,研究其偏振相关性,并对硅基MMI中相位关系进行实验方案设计,更多地应用将会实现在硅基相控阵,偏振分束器和混合模式相移器中。