在片上多核处理器系统中,片上光互连网络由于可以提高带宽,减少时延以及降低功耗,可有效解决传统电互连网络发展瓶颈的问题,所以得到广泛的研究和关注。而在片上光互连网络中,光路由器是其关键组件之一,直接影响着片上光互连网络的性能。本论文基于光波导理论和微环谐振理论,利用微环谐振器和聚合物材料/SOI材料的优点,分别优化设计了两种无源和两种有源光路由器;为进一步研究光路由器在光互连网络中的应用,基于OPNET仿真平台,利用无阻塞有源五端口光路由器建立了一种三维Mesh片上光互连网络,并对网络性能进行了初步研究。首先,基于聚合物材料优化设计并数值模拟了交叉耦合双微环谐振器和平行耦合单微环谐振器,使用24组交叉耦合双微环谐振器,设计了一种可路由7种信道波长的八端口光路由器,在1548.4~1553.2 nm范围内间隔为0.8 nm的波长下,八端口光路由器的插入损耗为0.02~0.58 dB,最大串扰<-39 dB,芯片尺寸约0.79 mm2。为提高光路由器的通信带宽,在八端口光路由器的基础上设计了一种新型通用的N级级联八端口光路由器,级联后的光路由器可路由7N(N≤43)种信道波长。此外,为降低器件损耗,基于平行耦合单微环谐振器优化设计并数值模拟了一种可路由三种信道波长的新型无源四端口光路由器,它是目前所有四端口光路由器中使用微环数最少的一种,在选定的三个信道波长(1550、1551.6、1553.2nm)下,其沿不同路径的插入损耗为0.02~0.6dB,串扰为-23.41~-37.71dB。其次,基于SOI材料优化设计并数值模拟了两种谐振波长为1550 nm的可热光调谐的平行耦合单微环谐振器,使用4个和8个平行耦合单微环谐振器作为基本路由单元分别理论设计了无阻塞四端口和五端口有源光路由器,通过热光效应调谐每个基本路由单元的谐振,两种光路由器分别具有9种和44种无阻塞路由状态。通过建立理论模型,对两种光路由器的输出光谱、插入损耗、串扰和功耗等性能进行了详细的表征。根据光路由器数据链路的分析得出,无阻塞四端口和五端口有源光路由器的插入损耗分别为0.13~3.36 dB和0.36~1.70 dB,串扰分别为<-19.46 dB和<-20 dB,功耗分别为0~88 mW和44.2~154.8mW。为进一步提高两种光路由器的性能,对三个串联微环代替单个微环的基本路由单元进行了研究。最后,为进一步研究光路由器的应用性能,基于OPNET仿真平台和有源无阻塞五端口光路由器,初步设计并仿真了一种三维Mesh片上光互连网络。仿真结果显示,在XY维序路由算法下,光信号从源节点到目的节点所经历的功耗和损耗与其所通过的中间节点数目呈线性关系。创新点:第一,基于聚合物材料交叉耦合双微环谐振器,优化设计并数值模拟了一种新型八端口无源光路由器件,其可实现宽光谱多波长信号的定点路由功能。第二,基于聚合物材料平行耦合单微环谐振器,优化设计了一种使用微环数最少且插入损耗较小的新型无源四端口光路由器件。第三,基于SOI波导,设计了两种新型的热光可调谐的平行耦合单微环谐振器,进而设计并研究了两种新型拓扑结构的无阻塞有源四、五端口光路由器件。