对于集成电路而言，其集成度的提高一直推动当今信息时代的发展。根据著名的摩尔定律可知，单一集成芯片的集成度每18个月就要翻一番。然而，近年来由于集成度的进一步提高带来的热扩散问题等一直没有办法得到很好的解决，现实的集成度逐渐地低于摩尔定律的预计值。很多科学家认为硅基材料的集成光子芯片或许可以解决这个问题。绝缘体上的硅(SOI)由于其对光的束缚能力强，材料价格便宜，能和集成电路的加工工艺——CMOS工艺相兼容等特点而受到了大家的关注。同时，光栅耦合器和波导交叉结构，作为在硅基光子集成中的两个不可缺少的器件，如何设计出高性能的这些器件也是光子集成中十分重要的一步。为此，本文采用了粒子群优化算法(PSO)和时域有限差分方法(FDTD)相结合，设计出了高性能并且在实现机理上有所突破的新型光子集成器件，具体如下:　　1.设计了一种新型且高效率的芯片和光纤之间的光栅耦合器。　　通过采用有一定水平错开距离的双层光栅来模拟在自由空间光中的45°反射镜的效果，可以实现在严格垂直方向的光栅耦合器。通过粒子群优化算法优化后，根据数值模拟计算的结果可知，在1550 nm附近，该耦合光栅的耦合效率可以达到70％左右。同时，在整个通讯C波段，也就是波长从1530 nm到1565 nm之间的耦合效率是大于50％的，且拥有低于1％的背向反射。　　2.设计了一种高效的波导交叉结构。　　与传统的利用多模干涉的自成像原理来设计的波导交叉结构不同，本文中采用了在交叉点附近刻蚀类透镜的结构来实现高效的波导交叉结构。同样，我们也用了粒子群优化算法来优化我们的设想。与传统的结构相比，经过优化后的结构最大的一个特点就是其拥有更小的尺寸（面积小了两个数量级）。由FDTD模拟计算可知，在通讯C波段中，该器件的插入损耗小于0.18 dB，而交叉串扰小于30 dB。同时，也拥有较好的加工误差容忍度。　　简而言之，本文中所提出的结构都是对于光子集成不可或缺的结构部件。本文设计的这两个器件都拥有较好的性能。它们在未来的高密度光子集成方面巨大的应用潜力。