硅基光互连在未来大数据和超级计算时代扮演着重要的角色,主要解决短距离光通信带宽、成本、功耗等问题,得益于硅光的高集成度、CMOS工艺兼容、易于与其他材料平台混合集成等优点。其中提高光互连通信容量技术中应用较多的是波分复用技术,而片上模式复用或偏振复用产业利用尚未成熟,需要进一步探索提高硅光器件的性能,特别在模式复用、偏振控制、光场传输控制上。本文在硅基平台上对波导系统模场的调控进行研究,包括对对称型耦合波导系统不同模式传播常数的比例关系的控制,利用亚波长结构对偶对称模和奇对称模色散的调控,利用亚波长结构等效各项异性特性对波导不同偏振态下倏逝波的调控,引入平板结构对耦合波导系统模式有效折射率虚部的控制。并应用于硅基光互连里所需的信号复用和路由控制的关键技术如模式复用、多模分束、多模光开关、偏振分束以及模场的时间非对称传输等。具体地,本文提出基于密集波导阵列（DPWA）总线同时控制和路由多个模式的概念,设计并实验验证了同时实现多个模式的3dB分束和光开关,在简化网络系统路由、共享开关资源减小功耗和减小尺寸有重要的意义。我们还丰富和发展了模式复用的概念,提出以宽度一样的密集波导阵列（DPUWA）作为模式复用总线波导,除了本身可以作为总线传输多模信号外,还可以更加灵活地处理多模信号,比如交叉或弯曲等。利用亚波长光栅结构,调控耦合波导的偶对称模和奇对称模的色散关系,大幅度提高了多模3dB耦合器和多模光开关的工作波长带宽。利用亚波长光栅等效各向异性性质,调控耦合波导的不同偏振下的倏逝波的衰减系数,并以此结合级联结构设计了高性能的偏振分束器,其设计结果是已报道结构难以实现的。最后,通过引入平板结构,实现对耦合波导模式有效折射率虚部的调控,用模式演变的方法解释了时间非对称光传输,并突破了传统的实现时间非对称需要环绕奇点的不对称结构的设计,提出实现时间非对称的关键因素,并以此设计了对称结构下光场的时间非对称传输。本文提出的相位的非绝热跳变的关键因素和对称型的结构实现时间非对称转换的设计具有一般性,可以应用于其他非厄米耦合系统,引入增益,可以实现对光的定向传输的控制。