光通信和光网络技术的快速发展对光子集成芯片（PIC）集成度和功能提出了更高的要求。多层波导技术可实现三维集成，提高芯片集成度并扩展器件功能，但工艺难度大，对波导器件优化设计的要求高。探索合适的实现单、多层复杂结构波导器件的优化设计方法，十分重要。本文提出了光波导无源器件半约束优化设计方法，以硅基二氧化硅（SoS）双层波导无源器件为例，进行了优化设计与实验验证。　　本文首先定义了光波导无源器件的目标函数和变换度，目标函数评估器件性能，变换度衡量器件结构复杂度。确定了在变换度约束下实现优化设计的最小目标函数，分别建立了基于半约束优化设计方法的一、二维分区模型，确定了光波导无源器件耦合区变换单元分区，并分别给出了一、二维分区模型的优化设计方法流程。　　接着，本文确定以SoS双层波导无源器件为例，验证半约束优化设计方法。基于有限元法对SoS双层波导进行模式分析，在1310nm和1550nm波长下，获得单模传输条件，分析了波导尺寸、双层波导间隔和双层波导相对偏移对传输模式的影响，确定了双层波导结构参数。　　然后，本文基于所提方法优化设计了SoS双层波导无源器件，分别采用基于半约束优化设计方法的一、二维分区模型，优化设计了多模波导3dB耦合器和波分解复用器，获得了器件结构及最佳参数，仿真分析了器件性能，分析了工艺容差对器件性能的影响。　　最后，对优化设计出的波分解复用器进行了实验研究。流片制备出SoS双层波导及波分解复用器，搭建了波分解复用器耦合测试系统，测试获得波分解复用器芯片插入损耗、消光比、偏振相关损耗等参数，测试结果与优化设计结果一致，但在1550nm波长处，消光比偏低，偏振相关损耗偏大。分析了误差来源，发现双层波导上层薄膜应力不均匀是导致性能偏差的主要原因。