弹性光网络能够根据业务需求情况,灵活动态地给业务分配带宽,有效提高了频谱资源利用率。要实现弹性光网络的灵活调度,需要关键光器件。在弹性光互连网络中,必然涉及到光路的不断变化,同一光路的方向更改,不同光路的交叉和连接。因此,光路器件是弹性光互连网络中必不可少的基础器件,研究与设计这些器件对建设弹性光网络至关重要。随着纳米工艺制造水平的提升,光器件的研究与设计开始向超紧凑小型化发展,并与纳米电子器件相集成,实现了光芯片的超高集成。为克服根据光的解析理论调节物理参数来设计光器件传统方法的局限性,光器件的逆向设计方式被提出。同时通过该思路与优化算法相结合,大大提高了设计光器件多样性的可能性。本论文根据对弹性光网络实现灵活动态分配带宽的关键光器件的认识,采用了逆向设计思路和优化算法相结合的方式,在片上对能实现光路反向改变,转换,交叉连接的微纳光路器件进行了研究和设计。本文的主要研究内容包括:(1)对本文研究背景及意义做了相关介绍,对弹性光网络光路器件的状况,逆向设计和算法研究现状进行了概括总结。并深入浅出研究了逆向设计理论知识和相关优化算法,以及用算法来逆向设计微纳光器件的优势和实现过程。(2)提出了一种能够应用在微纳光器件研究领域的遗传算法(Genetic Algorithm,GA),克服了手工调节物理参数的弊端。并用此算法在绝缘衬底上硅(Silicon-On-Insulator,SOI)上设计出了大小仅为1.8μm×1.8μm且能实现94%反射效果的反射器和另一种在水中能实现84%反射效果的反射器,一种尺寸仅为2.4μm×2.4μm并能实现80%传输效率不同进出口的光路反向器件。在弹性光网络中,这些器件可以根据业务需求情况加载不同波长的光源,实现了光路的反向改变。它们在衰减器、滤波器和激光腔等场景中有着广泛的应用。(3)提出了一种收敛更快的具体直接二进制搜索算法(Specific Direct-Binary Search,S-DBS),并用该算法成功设计了一种尺寸仅为2.4μm×2.4μm能实现了光路90°转弯且传输效率最高可达96%的波导弯曲结构,一种尺寸仅为2.4μm×2.4μm,插入损耗大于-0.5d B,串扰在-19d B以下的“十”字波导交叉结构和一种尺寸为2.4μm×3.6μm,插入损耗大于-0.56d B,串扰在-21d B以下的同方向波导交叉结构。这些器件结构在弹性光互连网络中,广泛应用于多种光路传输路径选择改变,交叉连接和重叠上,其作用的波长可以由弹性光网络业务情况决定。并且,用它们组成几种超紧凑的基础光互连结构,均实现了高的传输效率。