随着语音业务的激增和各种数据处理、图像、视频等新业务的涌现,特别是FTTH(Fiber To The Home)和IP网络技术的不断发展,通信系统的信息容量与处理速度呈现爆炸性增长态势。而基于金属传导的电互连技术面临严重的热耗散与不可逾越的电子瓶颈,已越来越不适应信息存储、信息传输、信息处理的高速率高带宽需求。以光子作为信息载体,以波导作为传输媒介,在芯片内部以光互连取代电互连,实现片上高密度、高速率的数据传输,是突破电互连性能瓶颈的有力手段。平面光学器件的研制,以及彼此之间的相互集成,是实现片上光互连的前提。以硅为主要材料的硅基光子学,因微电子行业的推动,研究人员对硅材料认知的加深以及硅基兼容技术的逐渐成熟,被认为是最有希望的光互连平台。本论文以硅基光互连芯片中的基于自由形态亚波长结构的无源器件及其反向设计方法作为研究目标。首先,我们介绍了硅基波导的分类以及主要数值仿真方法,并采用时域有限差分方法对条形波导模场分布特性进行了分析。随后,本论文介绍了器件反向设计的定义,并对自由形态亚波长结构和基于这种结构的器件的几种反向设计方法进行了介绍。另外,本论文也简要介绍了硅基波导的制作方法与测试,包括关键设备、主要工艺流程与测试方法。在对现有自由形态亚波长结构研究的基础上,本论文提出了一种新的类光子晶体亚波长结构,此结构对工艺误差中不可避免的迟滞效应不敏感,能大大提升加工所得器件的实际性能。本论文将此结构和反向设计算法结合,设计了多种无源器件,包括大带宽3 dB功分器、星型光交叉连接器和光微分器。本论文通过同时对基于传统方形像素亚波长结构和基于类光子晶体亚波长结构3dB功分器进行设计、制作并测试,通过对实验结果的对比,论证了类光子晶体亚波长结构对迟滞效应的容忍性更高。最终得到的基于类光子晶体结构的3 dB功分器,其测试结构与仿真更吻合、性能更优。随着片上器件的增多,器件间连接的波导增多,波导交叉连接的节点数目也呈抛物线型增加,继续使用传统的十字型光交叉结构会使得波导间的交叉互联耗费大量的片上空间,降低芯片的集成度。针对此问题,本论文提出了基于类光子晶体亚波长结构的光星型交叉连接器,通过实现多路波导的单点交叉,大大提高片上互联器件的分布密度。本论文最终分别实现了4×4、5×5、6×6路星型光交叉连接器,端口集成密度分别为7.1μm~2/port、5.83μm~2/port、7.3μm~2/port,相较于传统十字型交叉结构组成的光交叉连接单元,其端口集成度提升了近一个数量级。片上光微分器是实现片上光运算芯片的重要一环,现有片上光微分器的器件尺寸均较大,通常达到100μm以上。本论文将传统多模干涉器(MMI)结构和类光子晶体亚波长结构结合,设计得到了尺寸仅为6.62μm×4.02μm的片上微分器。