信息化时代的今天,人们对数据传输、处理及存储系统高性能的追求杳无止境。微电子技术的迅猛发展使得单个芯片的功能和性能不断提高,电互连因其所固有的物理特性已经不能满足日益增长的芯片间互连带宽和密度的需求,成为制约各种高速信息系统(大规模并行处理系统、核心交换机等)性能进一步提升的关键因素。互连危机的凸现迫使人们不得不站在互连的角度去考虑高速信息系统的设计问题。基于点到点高速互连的大规模并行处理系统,其互连网络物理层设计的关键为物理连接的实现,网络交叉连接节点的设计以及网络交叉连接节点的相互连接关系。本文以大规模并行处理系统的光互连网络为研究对象,就其拓扑结构、网络交叉连接节点的扩展方法、光交叉连接节点的结构以及基于光电混合印制线路板的芯片网络进行了研究,并以可连接215个处理/存储节点的三级层次化混合互连网络为例,详细介绍了其芯间、板间以及柜间光互连的实现方法。针对大规模并行处理系统的拓扑结构,提出采用层次化扩展的方法获取静态特性更优的拓扑结构,并以全互连网络和超方网络为基础扩展得到四种节点度数一致的规则拓扑结构:多级全互连网络、多级超方网络、基于全互连网络的超方网络以及基于超方网络的全互连网络。为进一步减小网络成本,提高网络的可扩展性,提出了用交叉连接节点取代多级全互连网络中最底层的全互连结构构建层次化混合全互连网络。层次化混合全互连网络的节点度数和网络直径仅取决于网络的层数,而与网络规模无关,具有很好的可扩展性,其网络成本较多级全互连网络更低。研究了大规模网络交叉连接节点的扩展方法,提出了通过组合网络连接小规模交叉连接节点以构成大规模交叉连接节点的基本原理,并尝试给出了一种规格为C(2N,N,N)、四种规格为C(2k,2k-1,2k-1)的无阻塞组合网络的设计方法。鉴于光互连中允许存在一定的阻塞以降低成本的现状,给出了一种低成本、低阻塞、路由控制简单、规格为C(2k,2k-1,2k-1)的组合网络,并就其控制算法和阻塞特性进行了分析。结果表明,在所有输入端连接到其后两个交换结构P(2k-1,2k-1)的概率相同的情况下,所提出的阻塞性组合网络的平均阻塞概率小于7.06%。介绍了可用于大规模并行处理系统光互连网络中的光交叉连接器,并提出了一种基于布拉格光栅和马赫-曾德干涉仪的2×2波长选择交叉连接器。该波长选择交叉连接器由一个基于周期性布拉格光栅的马赫-曾德干涉仪、一对光波导、一对1×2光开关和一对Y形合波器构成,所有器件均可由波导器件实现,便于实现集成。该2×2波长选择交叉连接器可通过多级互连网络实现多端口、多波长的扩展。介绍了光电混合印制线路板技术,并提出用光波导传输数据、铜片传输能量,模仿计算机的网络互连模式在光电混合印制线路板上实现光电集成芯片或多芯片模块的网络连接的设想。本文最后以可连接215个功能节点的三级层次化混合互连网络为例,详细介绍了基于光电混合印制线路板的芯间光互连,基于波分复用和波导阵列光栅的板间光互连以及基于光纤的柜间光互连的实现方法。