凭借低时延、高带宽以及低能耗的通信优势,光互连被寄予希望替代传统电互连,成为片上通信系统最具前景的互连技术。光片上网络的设计得到普遍关注。但现有光片上网络阻塞问题严重,网络性能提升受限;同时,大规模光片上网络的能耗利用率较低,扩展能力不足。为解决上述问题,本文旨在提高网络性能及扩展能力,从不同角度出发设计光片上网络结构。首先,为解决传统的基于电路交换的光片上网络存在的资源预约开销大、扩展性差以及阻塞严重等问题。本文将波长资源功能分化,同时用于提高传输带宽和降低阻塞概率,提出一种新型基于电路交换的光片上网络结构——MRONoC。它首先凭借高效的波长分配方案解决阻塞问题,然后在垂直方向引入多根并行波导缓解波长资源受限的压力以改善自身扩展性。MRONoC可支持单播与多播通信,在分组长度适度的情况下能耗利用率占优,网络性能较好,与传统的基于Mesh的光片上网络相比,饱和吞吐量可提升133%。其次,现有无源光片上网络存在扩展能力不足和插入损耗较大等问题。本文面向大规模无源光片上网络,充分考虑其对扩展性能、面积与能耗开销以及传输可靠性的要求,设计无源光片上网络——POINT。鉴于波长资源使用受限,POINT对波长与波导资源的使用数量进行组合优化。其采用模块化的设计思想,仅利用多波导提供所需的通信信道构建基础交换模块,并以此作为互连单元进行规则互连,进而对各模块分配工作波长,消除模块间的通信竞争。仿真结果表明,POINT较传统的无源光片上网络可减少约39%的面积开销和约44%的插入损耗。最后,为适应多核处理器“瓦片”状的分布方式,本文探索并设计基于规则拓扑结构Torus的无源光片上网络——TAONoC。为克服波长不同的光信号在同一节点处同时发生偏转难以实现的困难,TAONoC利用宽带微环谐振器的多波长并行传输优势,并以“波长组”为单位为网络中所有转向节点循环分配“转向波长组”;为保证自身支持多播通信,且无目的节点阻塞,TAONoC对各水平、垂直波导上的各波长的调制器、解调器制定布局策略。统计分析显示TAONoC通过增加适量波导可减少约79%的微环使用数量,并降低约37%的插入损耗。