随着大数据、云计算、5G、人工智能等新技术的发展，需要传输和交换的信息数据正在飞速增长，人们也对信息互连的速度和带宽提出了更高的要求。光通信因其大带宽低损耗的优点已成为目前主流的信息传输方式。但面对海量数据和信息的交换，光通信网络中目前仍旧采用将光信号先转为电信号，在电域完成数据转发后再将数据转为光信号传输的传统交换方式。这种光-电-光的数据交换方式交换延迟高、数据带宽小、功耗大成为了高速光通信网络发展的瓶颈。同时高性能计算机和数据中心中节点间的高速大容量数据交换也受到了电交换延迟和带宽的限制。光交换是解决这些问题的理想途径，而实现光交换的核心器件就是光开关阵列。硅基光子器件因具有体积小、功耗低、成本低、CMOS工艺兼容、可大规模集成等显著优势，被认为是光互连的最具前景的解决方案。对于实现大规模光开关阵列，硅基平台是理想的选择之一。　　本文从硅基波导的基本理论出发，研究了组成硅基光开关的基本无源光器件，优化设计了光开关单元;重点突破了大规模光开关阵列网络串扰分析监测的瓶颈问题，并对大规模光开关阵列的封装和驱动做了探索研究。在此基础上实现了世界上最大规模的64×64硅基热光开关阵列和32×32硅基电光开关阵列。本文还对全光交换和全光逻辑提出了新的设计，还设计了面向SDN应用的功能可重构的开关阵列。本文取得的主要成果和结论主要有如下几点:　　以光开关阵列网络中光串扰监测为突破口，提出了Benes光开关网络一种通用的N×N网络利用内置光功率监测点进行串扰分析以及状态校正的方法。解决了硅基光开关阵列中光串扰分析和寻找开关单元最佳工作点的瓶颈问题，突破了开关阵列的规模限制。　　本文在180nm CMOS工艺条件下实现了世界上最大规模的64×64硅基热光开关阵列和32×32硅基电光开关阵列。硅基32×32电光开关阵列包含144个开关单元，288个PIN结以及704个光学元器件;硅基64×64热光开关阵列包含352个开关单元，704个加热电阻以及2032个光学元器件。硅基32×32电光开关阵列在1520nm波长下，全Cross状态器件损耗12.9dB～16.5dB，串扰-24.8dB至-17.9dB。全Bar状态损耗14.4dB～18.5dB，串扰-19.0dB至-15.1dB。64×64热光开关阵列在45nm带宽范围内的单端口插入损耗12.0dB～18.0dB，器件串扰-44.3dB到-30.7dB。　　本文提出了一种CMOS工艺兼容的采用硅基电光开关和锗硅探测器组合形成新的光控光开关结构。该全光开关在3V直流偏压下，动态切换上升下降时间约为5ns，开关消光比大于20.5dB，控制光信号功率7mW。并基于这种全光开关，通过光学链路的特殊设计提出了能够实现“与、或、非”三种基本逻辑功能的硅基全光逻辑单元。并在100MHz调制光信号输入下实验验证了光学“非”门器件的功能。　　针对面向SDN光网络应用的功能复用的光交换器件，提出并实现了一种可实现点对点、多播和广播三种不同路由功能的4×4功能可重构的硅基高速光开关阵列。　　对于热光开关单元提出了使用宽波导相移臂的方式减小器件损耗。实验测得2μm宽度的脊波导传输损耗相比单模波导损耗减少59％。对于电光开关单元提出了光学相位偏置和推挽工作方式的双臂相移结构的优化设计。通过对波导尺寸的变化，引入π/2光学相移，减少器件载流子注入浓度。两种开关状态消光比差减少14.5dB。设计制作的热光开关单元开关上升时间31μs，下降时间42μs;电光开关上升时间1.0ns，下降时间1.2ns。