随着CMOS集成工艺进入到超深亚微米以及纳米时代,芯片的特征尺寸越来越小,在单个芯片上要求实现愈来愈复杂的功能,而传统的架构方式及互连技术由于其在带宽、延迟、功耗等方面的瓶颈问题已经无法满足片上系统的需要。片上网络是为了解决片上系统多个处理器核之间的互连难题和片上通信问题而提出的一种新方案,目前,片上网络最常用的设计方案是采用光电混合互连结构,该结构采用光网络来进行高速数据传输,电控制层实现对光网络层的控制。现在大部分的研究团队对片上光网络的研究主要集中在光器件、路由器以及网络拓扑结构的设计与优化,在性能评价方面主要关注能耗、吞吐量、时延等指标的分析。光互连网络实质就是由各种硅基波导器件组合而成的网络,然而,串扰是硅基器件所固有的属性,片上光网络中累积的串扰量是制约其性能提高的瓶颈问题,因此将串扰问题作为本文研究的核心技术问题。在此之前,基于串扰问题的分析主要集中在传统结构的光网络中,考虑到改变基本光学器件十字状交叉波导的交叉角度会引入不同量的串扰噪声和插入损耗,因此本文选择最优的十字状波导交叉代替光路由器以及光网络中固定的垂直交叉波导结构,并且发现其能够较好地改善串扰问题,实现性能提升,这为扩大芯片上光互连网络的规模奠定了理论基础。本文主要以Torus为例建立基于串扰特性分析的片上光网络信号传输情况的理论分析模型和仿真模型,为下一步设计具有更优性能的光路由器和网络结构提供了指导。首先本文介绍了光网络中所采用的硅基波导器件的基本结构和工作原理,由直波导和闭环波导设计而成的微环谐振器是实现光开关功能的核心器件,接着给出了交叉波导、平行开关和交叉开关结构的损耗和串扰模型,其中交叉结构不再局限于传统的垂直交叉结构。接下来介绍了Torus网络结构及其采用的五端口路由器结构的基本特点,考虑到优化的交叉角度能够实现更低串扰的引入,因此将该优化方法扩展至路由层与网络层的设计,在此基础上总结出低串扰和低损耗的芯片上光路由器的设计准则,并且给出了路由层和网络层的理论分析模型。最后数值仿真和模拟仿真的分析结果表明,光网络中采用的路由器结构应尽可能减少微环谐振器和交叉结构的数量,在此基础上,通过进一步应用角度优化方法有效地降低串扰噪声、提高信噪比、降低误码率,从而保证系统的通信质量以及实现性能的提升。比如,考虑Torus光网络的规模为6×6,输入光功率为0dBm时,使用优化结构的光网络的信噪比达到23.87dB,相对应用传统的Crux或者Crossbar路由器于光网络中而言,其信噪比分别提升了2.21dB以及9.27dB。基于光器件、路由器和网络层的基本特性以及仿真结果,本文构建了一个片上光网络的信号分析平台来全方位地研究芯片上光交换系统的相关理论机理和技术方案。