传统光子器件的设计是从基本物理原理出发,选择合适的结构,并通过对结构参数的调整来满足设计需求,从而实现相应的功能。而逆向设计,有别于传统的基于原理的启发式设计,则是从器件的功能出发,逆向推导确定相应的特征,再通过仿真算法对多个特征参数同时优化,从而逆向得出器件结构。在过去的几十年里,对传统设计方法的研究已经比较普遍,其在包括超表面器件、微谐振腔在内的多个器件设计领域中几乎占有主导地位,目前绝大多数的光子器件都是基于这一方法所设计的。然而随着光子器件应用范围的拓展,使用传统设计方法所得到的器件很多时候难以满足日益多样化的需求,并且传统方法也难以实现最优化的设计。而采用逆向设计则有望解决传统方法面临的这些问题,这对于新一代光子器件设计具有重大的意义。本论文基于逆向设计方法设计了功能可调节的集成硅基光子器件,实现了集成硅光子器件的多功能突破。我们结合全局优化算法和时域有限差分算法（Finite Difference Time Domain,FDTD）,设计并实现了基于绝缘体硅（Silicon on Insulator,SOI）的双通道波长可切换的波分复用器、模式可切换的模分复用器,以及拓扑荷可切换的轨道角动量（Orbital Angular Momentum,OAM）光发射器。其中,波分复用器的两个通道波长分别为1310nm和1550nm,模分复用器的两种模式分别为TE（Transverse Electric）和TM（Transverse Magnetic）模式,轨道角动量发射器的两个拓扑荷为+1和-1。器件的功能切换则通过光生载流子引起的硅折射率变化机制引入,基本原理是利用高功率飞秒脉冲激光来激发并改变硅材料内的载流子浓度从而引起硅折射率的变化。本论文的研究内容主要包括器件结构优化、微纳加工工艺流程、实验系统搭建与器件测试。首先是结构优化,本次研究采用密度拓扑优化的思路,即将优化结构进行有限离散化,对优化目标函数进行计算以便获得最优的像素结构分布。由于解空间范围巨大,需要考虑全局优化算法,其优点在于避免得到的解陷于局部最优解。在本次研究中我们采用模拟退火算法结合FDTD仿真对结构进行优化,所优化结构采用硅圆盘结构。利用硅对光的散射,通过二进制编码,对硅单元像素的空间位置进行优化以使出射光的透过率（目标函数）最大化。优化结构的仿真计算结果表明我们设计的器件具有相应的可调节功能。其中波分/模分复用器通道切换前后的传输效率都在20%以上,且相应通道隔离度基本上都大于10d B;而OAM光发射器拓扑荷切换前后的发射效率都在25%以上。其次,在结构优化完毕后,就可以进行微纳加工,加工方面采用标准的SOI结构加工流程。包括光刻胶旋涂,电子束光刻,反应离子刻蚀等工艺。最后本论文介绍拟搭建的实验系统,用以对波分/模分复用器、OAM光发射器激光调制前后功能的检测以及实验数据采集。本论文重点介绍器件的设计方法、模拟验证、器件加工工艺以及拟搭建的实验测试系统,实际的器件性能测试实验拟在后续的研究中进行。