硅基光子器件具有尺寸小和CMOS工艺兼容的特点,是光子集成电路的核心部件。对光子集成电路来说,高集成度意味着高性能和低功耗。但是与电子集成电路相比,硅基光子器件的设计方法相对落后,目前主要依靠半解析模型和参数扫描进行设计,时间和经济成本较高。更重要的是,传统设计方法设计的硅基光子器件尺寸大,不利于大规模集成。逆向设计算法的出现极大改变了这一现状,让硅基光子器件的设计变得更加高效和智能。目前对逆向设计算法的研究主要侧重在“能设计”这个层次,对于逆向设计时优化区域尺寸如何选择、如何添加可加工性限制、如何设计多功能器件以及如何设计具有超多优化目标的复杂器件等问题研究较少。本论文基于逆向设计算法的典型代表——目标优先优化算法,以实现可加工的多功能硅基光子器件的高效设计为目标,包含以下主要研究成果:1.结合耦合模理论,通过分析器件耦合区域长度,得到用目标优先优化算法设计偏振分束器时如何选择优化区域尺寸的一般性指导结论。在分析结论的指导下设计了一个尺寸为0.48μm×6.4μm的可扩展偏振分束器,通过改变耦合区域拓扑结构,该偏振分束器能够工作于C波段、L波段、O波段以及其它任何通信波段,两个偏振态的消光比均大于14.5 d B,损耗小于0.46 d B。该成果对规范逆向设计时优化区域尺寸选择以及进一步缩小光子集成电路尺寸具有重要意义。2.通过应用优化参数投影和周期性增大投影强度的方案,解决了从连续优化向离散优化过渡时器件性能退化的问题;同时,滤波方案的引入有效解决了器件最小可加工尺寸约束的问题。这对目标优先优化算法从理论计算走向工程实践具有重要促进作用。基于优化后的设计方案,我们设计和加工了一个多功能器件——双通道聚焦波长分束器,该器件能够同时实现模式压缩和波长分束,实验测得器件双通道损耗均小于2.10 d B,串扰低于-12.14 d B。3.以截止带和通带都是宽带的带通滤波器为例,通过组合优化和分步优化的方案有效解决了目标优先优化算法在存在两个以上畸变过程的多目标优化情况下不收敛的问题。该带通滤波器设计时优化目标多达36个,存在从截止带到通带,再从通带到截止带两个畸变过程,其工作波长覆盖1.2μm～1.9μm,实验测得带外消光比大于23.15 d B。这两种优化方案对进一步拓展目标优先优化算法的应用场景,特别是对解决具有超复杂功能的器件逆向设计问题具有重要促进意义。