作为一种可有效解决单模光纤容量瓶颈的技术,模分复用近年来受到广泛的关注。模分复用技术的实现有赖于各种模分复用器,本文对此进行了研究,设计了基于级联垂直波导定向耦合器的宽带模分复用器,可以实现少模波导中六个模式(E₃₁、E₁₃、E₂₂、E₂₁、E₁₂和E₁₁模)的复用/解复用。器件波导的芯层、包层材料分别为聚合物材料EpoCore、EpoClad。垂直定向耦合器可以解决两个模式之间因耦合系数为零而无法耦合的问题,合理设计其相对位置可分别使五个高阶模与基模耦合,这是实现复用/解复用的基础。在耦合区域引入锥形波导,这是实现宽带宽的充分条件。器件采用三层波导结构,可提供较大的设计灵活性,比起双层波导结构,其可缩短原本因锥形波导而增加的器件总长度。论文的主要内容如下:首先,介绍了模分复用技术的发展历程,介绍了国内外基于垂直定向耦合器结构实现多种光波导器件以及基于非对称Y分支实现模分复用的研究成果。其次,介绍了相关理论基础,重点介绍了从有效折射率法出发分析矩形波导,利用耦合模理论分析水平对称/非对称定向耦合器和垂直定向耦合器的工作原理。然后,利用有效折射率法、有限元法和有限差分波束传播法研究单独的耦合器单元后,对整体器件的结构参数与传输特性进行了研究。最后,利用Rsoft的仿真验证了器件的功能并分析其特性。结果表明:在1530nm-1630 nm（覆盖C+L波段）的工作波长范围内,E₃₁、E₁₃、E₂₂、E₂₁和E₁₂模的耦合效率分别高于92.7%、87.5%、93.0%、99.5%和94.8%,模式串扰低于-11.3 dB,器件总长度为32 mm。此外,为了证明垂直定向耦合器的灵活性并探究其与其他波导结构集成以实现模分复用的潜力,基于同种材料设计了第二种宽带模分复用器,其集成了两个非对称Y分支和三个垂直定向耦合器,可对同样的六个模式实现复用/解复用。器件为双层波导结构,两个非对称Y分支在同一位置同时实现三个模式的转换,使器件具有高集成度。结果表明:在1530 nm-1630 nm的工作波长范围内,E₃₁、E₁₃、E₂₂、E₂₁和E₁₂模的转换效率分别高于89.1%、85.8%、91.6%、99.7%和99.5%,模式串扰低于-10.9 dB,器件总长度为22.65 mm。本文设计的两种模分复用器在结构设计上具有巧妙性,主要特点是具有高效率和宽带宽,对于集成宽带波导模分复用器件的发展具有重要的研究价值。