随着时代的不断发展,通信技术突飞猛进的同时,也带来大数据时代的各种挑战。集成光学系统可以大大降低设备的制造成本,提高信息传输能力,可以广泛的应用于片上光互连中。片上光互连的基础是集成光学器件,所以对关键器件的研究和设计至关重要。在追求光子芯片高度集成化的过程中,提出了一种新的逆向设计方法,克服了手工调整参耗时长和器件尺寸大的缺点。通过优化算法实现逆向设计,设计的器件不仅体积小、损耗低,而且能够实现各种不同的功能。本论文基于对片上光互连网络关键器件的认识,使用逆向设计的方法进行器件的研究设计。首先讨论了单个器件性能的提升及其应用,然后通过对优化算法的改进,对级联器件如何提高性能进行了研究。最后,设计了一种片上多波长路由光互连网络。主要的研究内容包括如下几个方面:（1）首先使用直接二进制搜索算法,设计了三个任意方向的1×3功率分束器,它们有着任意的输出的方向,并且可以在任何方向上连接到其他器件,极大地减少了光子集成电路所占用的空间。同时还了讨论内存占用对设备性能的影响。通过设计结果,三个1×3功率分束器可以自由组合,实现任意方向、多通道、超紧凑的功率分束器,并可以更好地与不同的设备连接,实现不同的功能。同时,还展示了一个组合后的1×6功率分束器。（2）基于直接二进制搜索算法设计了一个尺寸仅为3.6μm×2.4μm的波长解复用器。此外,还设计了一个波导交叉,所设计结构的尺寸为3.6μm×2.4μm。然后,利用所提出的波长解复用器和波导交叉设计了一个光学互连结构,可以作为基本的光交叉连接结构。与传统的光学互连相比,应用于片上光学系统的集成密度和增益得到了很大的提高。在优化过程中,通过调整FOM函数的权重和对结构参数的讨论来提高器件的性能。通过器件的集成,可以减少插入损耗和串扰,为实现任意波长路由光互连网络奠定了基础。（3）首先提出了一种基于光滤波器和波长交叉的光互连网络。该结构可以支持TE0模式下的1300 nm、1400 nm、1500 nm、1600 nm四个波长的波长路由。其中单个结构的足迹仅为3.8×2.6μm,最后整个网络的足迹仅为12.84×6.8μm,这将显著提高集成密度,并有利于各种片上光通信系统。同时对器件进行了实验制备,来验证器件的可制造性。此外,将设计的基础器件与该光互连网络进行级联,可以组合成一个完整的片上多波长路由光互连网络。该集成网络既支持多个波长的路由,又可以支持功率的分束。并且有着较小的尺寸、较好的性能,为片上光子集成芯片奠定了基础。