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随着大数据和超级计算时代的到来，对低成本、高能效和宽带宽的通信技术要求日益增长，然而通信速率的进一步提高对电信号传输和驱动提出了更多的挑战。光互连以超带宽、高稳定性、低能耗、低成本等优势，已逐渐从长距离的光纤通信进入到短距离的机架之间、芯片之间甚至片上的通信。使得微处理器等芯片里面更多的核与核之间，芯片之间超高容量、超高带宽、低功耗的通信成为可能。硅基平台凭借低损耗、低成本和与CMOS工艺兼容等优点，与Ⅲ-Ⅴ等有源材料混合集成成为光互连接口很好的选择。 首先介绍了为提高光互连带宽的波分复用器——蚀刻衍射光栅(EDG)，理论分析了EDG的工作原理，基于标量衍射公式的计算方法，和设计流程。从实验上分析了影响EDG性能的因素。从实验结果上看，采用深刻蚀的布拉格反射光栅(DBR)的EDG插入损耗为2～3dB，比普通单个反射面降低了7dB，同一参数下由于工艺的精度问题也可能使EDG的串扰相差几个dB。因为波分复用器的稳定性对复用-解复用系统的性能影响比较大，本文还从实验上对比分析了EDG、传输型的阵列波导光栅(T-AWG)和反射型的阵列波导光栅(R-AWG)三种波分复用器的级联性能。其中采用单个自由传播区(FPR)，浅刻蚀且没有弯曲的波导阵列的R-AWG性能最稳定，所以它的级联损耗和串扰最小，其次是EDG，深刻蚀的T-AWG由于有两个FPR，深刻蚀弯曲的波导，对工艺误差造成的相位误差比较大，即使同一片子上T-AWG的中心波长的也容易漂移，造成级联性能的下降。 其次介绍了另外一种提高光互连带宽的方法:模式复用。提出一种基于密集波导阵列(DPWA)的模式复用器，介绍DPWA的基本原理及其模式复用器的设计流程。支持5个模式的DPWA为总线波导的等效宽度1.58μm，与传统宽型的多模波导类似，但是弯曲损耗小，易于扩展。基于DPWA的模式复用器结构简单，本文设计和实验验证了支持5个模式的复用-解复用器，插入损耗小于0.6dB，模式串扰优于-15dB，复用/解复用器长度只需60μm，比传统的模式复用器有明显的优势。 最后本文总结了片上/片间光互连收发系统的性能指标。研究和讨论基于Ⅲ-Ⅴ/Si混合集成波分复用收发模块的静态响应和高频响应，成功地复用六个波长通道，通道间隔为1.6nm，每个通道为30Gb/s，总速率达6×30=180Gb/s的片间光互连。其片上互连链路3dB电带宽为13GHz，可以得到片上互连单个波长通道30Gb/s的数据传输眼图，最后演示了片上复用到解复用10个通道，每个通道30Gb/s，总速率可达300Gb/s的码型传输。该芯片含6通道的发射或接收模块的尺寸为1.5×0.65mm2。