随着电子产品应用种类的增多,不论是高性能计算领域,还是核心网设备、基站以及个人移动通信终端都对处理器的性能提出了更高的要求,这使得传统电片上网络(Nework on Chip,NoC)在带宽、通信效率、可扩展性等方面的问题日益突出。近年来,作为一个有效解决电互连潜在问题的方案,光片上网络(Optical NoC, ONoC)被提出。与NoC相比,ONoC具有更高的带宽、更低的能耗以及更小的传输时延等优势。考虑到芯片内集成的IP核数目逐渐增多,针对三维NoC的研究已步入初步阶段。但现有三维拓扑结构大多面向NoC,而少数针对ONoC所提出的三维拓扑方案多采用全连接方式,从而导致芯片资源浪费严重。此外,当前针对三维ONoC所设计的光路由器存在光开关的冗余部署,且没有对所设计的光路由器进行有效的建模。最后,现有三维ONoC路由算法多采用确定性路由策略,并未考虑ONoC的实时状态。为此,本文以三维ONoC为研究对象,构建了一种新的3D X-Torus单(双)向拓扑,从而有效节省拓扑占用的芯片资源。随后,基于该拓扑结构,本文设计了分别应用于单向和双向3D X-Torus拓扑结构的层内光路由器,以及通用的纵向光路由器。最后,对所设计的光路由器进行建模,同时提出相应的路由策略。在设计路由策略时,本文首先针对光路由器设计了内部分组转发算法,实现了微观路由策略,为网络宏观路由奠定了良好的基础；其次,本文对传输分组信号的串扰及热效应进行动态分析,考虑到热漂移会对分组信号信噪比造成影响,本文设计了一种考虑热漂移的高可靠性路由算法,该算法可以综合考虑ONoC当前状态,为分组选取信噪比最高的可行路径,从而尽最大可能保证核心网的分组应答能力。本文对所设计的微观分组转发算法和宏观高可靠性路由算法进行了仿真和分析。仿真结果表明,在网络阻塞率及可靠性等方面,本文所设计的3D X-Torus拓扑、光路由器、分组转发算法以及高可靠性路由算法均体现出良好的性能。因此,本文的研究工作可以作为构建三维ONoC的一个有价值的参考。