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随着半导体和电路集成技术的飞速发展，单个芯片上可集成的处理器核数目越来越多，传统片上系统（System on Chip简称SoC）的总线互连方式已经无法满足多处理器片上系统（Multi-Processor SoC简称MPSoC）的性能要求。片上网络（Network on Chip简称NoC）借鉴计算机网络的思想突破了SoC的瓶颈，较好地提升了MPSoC的各方面性能。但是，由于NoC依旧使用电的互连方式，无法突破电互连的瓶颈，限制了未来MPSoC性能的进一步提升。与CMOS工艺兼容的硅光技术的不断成熟和光互连所具有的低时延，高带宽以及低能耗的特性使得光片上网络成为新的研究热点。本文首先介绍了光片上网络器件集成系统的工作原理并阐述了各器件的特性和作用，分析总结现有光片上网络的各种结构以及主要问题。接着，进一步研究光片上网络的交换机制，深入分析光片上网络产生阻塞问题的原因，并在此基础上提出多波导低阻塞光片上网络结构；所提网络结构使用设计的无阻塞路由器结构和基于XY路由算法的波长分配策略，具有只使用八个波长就可以满足任意规模光片上网络高效通信的特点；利用OPNET仿真平台分析对比低阻塞光片上网络结构和基于mesh光片上网络结构在不同流量下的时延、吞吐和阻塞概率的性能，仿真结果显示低阻塞光片上网络结构明显改善了网络通信的阻塞概率。之后，重点研究光信号在硅光器件中的传输特性，探讨了光片上网络的串扰问题，全面建立了波导交叉和各种光交换开关单元的串扰模型；在此基础上，结合设计出的Benes光片上网络布局构建其网络级串扰模型；更进一步研究Benes网络的路由算法并将串扰问题考虑在内，设计出低串扰的路由算法，减小了网络能耗和串扰噪声，提升了网络的可靠传输能力。最后，研究多级间接互连网络的共同特性，建立其交换单元和相邻链路的时延、损耗以及串扰模型，并构建多级间接互连网络的性能评估模型，通过理论计算和OPNET仿真验证了网络级时延、损耗和串扰模型的正确性。