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电互连传输带宽小、时延大、高速信号之间串扰大、功耗大等缺点,已经成为电互连进一步发展的巨大障碍。光互连作为一种新的互连方式,具有极高的通信带宽,极小的功耗,能够很好地解决电互连发展受限的问题。随着工艺的发展,高速光电器件已经越来越微型化、低功耗,光互连技术的应用范围也慢慢向芯片之间和芯片内部发展。由于传统的片上通信结构(如总线)已经无法适应当前的设计需求,以通信为中心的片上网络(NoC)技术为多核处理器或者多核SoC通信问题提供了新的解决方案,但是传统的电互连片上网络仍然摆脱不了电互连的各种负面因素。光互连技术在降低通信系统功耗方面有着无可比拟的优势,且有着极高的通信带宽和极小的传输损耗,是理想的片内互连技术。针对当前光互连技术中的无法进行光缓存和光处理的难题,本文提出一种新颖的片上光互连网络结构ONoC,通过电控制网络进行链路预约,光传输网络进行数据传输的方法,实现光信号的无缓存传输。本文的主要工作如下:1)提出一种新颖的片上光互连网络ONoC,采用电控制网络进行路由及光链路预约,光传输网络进行光数据传输的方式,实现光数据的无缓存传输。2)对ONoC网络进行相关的性能分析。分析结果表明,ONoC网络的功耗与普通的电互连网络相比降低85%以上。采用OMNeT++工具对ONoC的网络性能进行仿真,仿真结果表明,ONoC具有良好的通信性能。3)针对ONoC网络只能进行单向光数据传输的缺点,本文提出一种适用于直接网络的5×5无阻塞光交换开关NBOS-5,并且基于NBOS-5对ONoC结构进行改进,构建可以进行双向光数据传输的片上光互连网络ONoC-2。实验结果表明,ONoC-2与ONoC相比有更低的传输延时、更高的网络吞吐率。4)高速芯片间光互连技术的设计与实现。设计实现了芯片间光互连技术试验平台,完成了试验平台的硬件逻辑设计、10Gbps高速信号的布局布线,参与芯片间光互连试验平台其他相关技术研究,如多芯片立体组装技术、光互连的转向耦合元件设计等。