光通信的迅速发展在给人们的生活带来巨大便利的同时，也对通信容量提出了更高的要求。为进一步增大系统的通信容量，多维复用应运而生。优化器件的性能，使其适用于多维复用系统变得尤为重要。另一方面，随着硅基光子集成研究的不断突破，低功耗、集成化也成为未来光通信的发展趋势。因此，研究适用于多维复用系统的硅基集成器件具有非常重要的意义。　　定向耦合器作为光通信系统中的关键器件之一，有着广泛的应用和研究。然而传统定向耦合器的耦合比具有波长和偏振相关性，并且一般只支持基模。本文主要研究定向耦合器结构在多维度分光和偏振分束旋转（PSR）方面的应用，采用绝缘体上硅（SOI）材料，通过引入拉锥波导结构，改善器件在波长、偏振、模式等维度的性能。概括全文，本论文的主要工作可以总结为以下几点：　　（1）介绍了传统定向耦合器的工作原理——耦合模理论，并从耦合模理论出发，用数值计算的方法分析了拉锥定向耦合器的工作特性。简单介绍了我们设计中用到的数值仿真和优化算法，并介绍了器件制作的工艺流程和性能测试的方法，为后续器件的理论仿真和实验测试提供了基础。　　（2）提出了三种基于拉锥波导的定向耦合器新结构，分别在波长、偏振以及模式维度实现了高性能的3dB分光。在波长维度，提出了一种基于级联拉锥波导的定向耦合器结构，利用粒子群优化算法进行多参数优化，实现了耦合比在100 nm的波长范围内波动±0.5％；在偏振维度，设计并制作了一种基于拉锥三波导结构的偏振不敏感的3dB分光器，在1520到1600 nm的波长范围内，测得的波长相关的功率不均衡度小于1.1 dB，而最大的偏振相关的功率不均衡度大约为1.0 dB；最后，在模式维度，提出了一种适用于模式复用系统的双模3dB分光器，TM0和TM1模在1550 nm处的耦合比均约为50:50，实验测得两个模式的插入损耗均小于0.7 dB，TM0和TM1的串扰分别为-14.3 dB和-18.1 dB。　　（3）设计并制作了一种基于反向拉锥定向耦合器结构的 PSR。由于拉锥定向耦合器的工作特性，器件展现出大的带宽和工艺容差。器件采用空气包层打破垂直方向的对称性，因此仅用一次曝光和刻蚀制作。实验测得在60 nm的波长范围内，TE0-TE0的插入损耗和TM0-TE0的偏振转换损耗分别低于0.5 dB的和0.8 dB，同时两个模式的串扰均低于-18 dB。