基于光互连的高性能计算机和数据中心是近年来国际科学界的一个热点研究方向,其研究目标是通过采用全光的数据传输、通信及路由,突破现有的电子互连网络的瓶颈,实现高性能、高可扩展性、低功耗以及低延迟时间的光互连网络,从而满足未来数据通信网络的需求。基于硅纳米线的阵列波导光栅路由器被普遍认为是下一代高性能计算机和数据中心光互连架构的核心光无源器件。一方面,基于硅纳米线波导的阵列波导光栅具有结构紧凑、性能稳定、性价比高以及与CMOS工艺兼容等优势；另一方面,以N×N的矩阵形式构成的阵列波导光栅路由器,能够在不同信道同时传输N路信号,具有高带宽和很好的可扩展性。再加上其易与其他光器件集成,构成多功能器件和系统的优点,因而,硅纳米线阵列波导光栅路由器可以充分满足下一代高性能计算机和数据中心光互连的需求。近几年来,国内外对硅纳米线阵列波导光栅路由器的研究主要是针对细波分复用(DWDM,波长间隔为0.8nm和3.2nm)光互连的应用,对应用于粗波分复用(CWDM)光互连的阵列波导光栅路由器的研究尚属空白。因此,本文对工作于1550nm波段,通道间隔为5nm、10nm以及20nm的硅纳米线阵列波导光栅路由器进行了设计、制作及测试的整个工程体系的研究。文章首先详细地介绍了阵列波导光栅。介绍了阵列波导光栅的基本原理,包括它的几何结构、工作原理和基本特性。然后,介绍了基于硅纳米线的阵列波导光栅的研究历程,介绍了基于其他材料平台的阵列波导光栅,包括基于硅基二氧化硅的阵列波导光栅、基于磷化铟的阵列波导光栅、基于氮化硅的阵列波导光栅等,并对不同材料平台的阵列波导光栅的性能和特点进行了比较。接着,基于光互连对光子器件温度不敏感的要求,文章分析了温度对阵列波导光栅中心波长的影响。同时,分别介绍了硅基二氧化硅无热阵列波导光栅和硅纳米线无热阵列波导光栅的研究现状。此外,针对硅纳米线无热阵列波导光栅的阵列波导的制作容差较小这一问题,我们提出一种引入输入/输出自由传输区作为温度补偿区域的方法,增加一个或多个自由度,提高了阵列波导宽度的制作容差。然后,文章介绍了阵列波导光栅路由器的研究历程,介绍了在本论文的研究工作进行的同时,国内外同行对硅纳米线阵列波导光栅路由器的研究进展。随后,我们探讨了硅纳米线阵列波导光栅路由器的基本设计方法,以一个4×4通道间隔为10nm的硅纳米线阵列波导光栅路由器作为设计实例,研究了其基本的设计流程和数值仿真方法。此外,文章分析了当硅纳米线阵列波导光栅路由器的自由光谱范围较大时,边缘通道的输出波长出现较大频率偏差的问题。紧接着,文章介绍了硅纳米线阵列波导光栅路由器掩膜设计方法,开发了一套硅纳米线阵列波导光栅路由器的制作流程,详细研究了光刻工艺、硅深刻蚀工艺等关键工艺。此外,我们采用端面耦合法和光栅耦合法,搭建了两套硅纳米线阵列波导光栅路由器的测试系统。文章对制作的通道数为4和8,通道间隔为5nm、10nm和20nm的硅纳米线阵列波导光栅路由器进行了测试,器件的损耗在2.5dB与6dB之间,串扰在-12dB与-18dB之间,具有较好的性能。同时,文章以4×4通道间隔为10nm的硅纳米线阵列波导光栅路由器为例,分析了阵列波导光栅路由器的路由特性,制作的硅纳米线阵列波导光栅路由器均具有较好的路由性能。最后,对文章进行总结,并对硅纳米线阵列波导光栅路由器下一步的研究进行展望。