集成电路的出现带动了产业变革,但随着线宽的减小,集成电路的发展瓶颈也愈发突出。为了“延续”摩尔定律,集成光路得到了科学家们的关注。而硅基光子集成由于天然的优势以及与CMOS工艺的兼容性,成为光子集成的研究热门。光学周期性结构对光有着特殊的调制作用,通过改变光学周期性结构的某些参数能够对光的传播进行主动的控制,因此光学周期性结构得到了广泛的研究和应用。本文对不同维度的硅基光学周期性结构的应用进行了研究和优化。对一维周期性结构阵列波导光栅进行研究,提出了分光性能良好的器件设计方案,并对器件进行了一系列的优化。对二维周期性结构光子晶体超透镜进行研究,分析了成像原理,提出了优化成像的方法,并深入分析了不同模式对成像的贡献。(1)阵列波导光栅中相邻阵列波导的长度差恒定,在成像面形成稳定的干涉场,不同波长的光遵循一定角色散关系在成像面上依次聚焦、输出,就实现了波长的分离。通过对设计进行仿真,在有限的计算资源下确定了一组既省时间又不会使谱线有明显失真的软件参数。通过调整阵列波导光栅的设计参数优化了像场的强度分布,在网格精度不高的条件下仿真得到的器件插损达到1.56dB,串扰达到-18dB。多模宽波导的有效折射率随波导宽度的变化比单模窄波导小很多,因此使用多模宽波导能够极大地提高阵列波导光栅对工艺不完美的容忍度。平板波导与矩形波导连接处的锥状波导越短,串扰性能越好;器件中使用短的锥状波导可以减小器件尺寸,仿真证明抛物线型锥状波导在较短的长度下可以保证高透射率。(2)光子晶体因为特殊的能带结构可以实现光的负折射,可以用来制作超透镜。本文分析并验证了不同端面截止位置的调制传递函数与像场的对应关系,通过改变端面截止位置可以消除调制传递函数曲线的尖峰,实现大角度范围的表面模式共振,可以实现对光子晶体超透镜成像的优化。特定端面截止位置可以使像场产生近乎各向同性的圆形波前,减小像点的半高全宽。本文也对光子晶体不同模式对成像的贡献进行了研究。截止角度外,只有倏逝波在光子晶体激发,倏逝波对成像有重要的参与;改变端面截止位置也就改变了光子晶体不同模式的耦合振幅,且一阶模的共振峰较窄,高阶模的共振峰较宽。在近场范围内,在两个维度内调整点光源位置,光子晶体超透镜的像场分布特性保持不变,证明了前文方法和结论的正确性。本文还对搭建的硅基芯片测试平台进行了介绍,同时分析了光栅耦合和端面耦合的原理。通过光栅耦合的方式对加工的阵列波导光栅进行了测试,并对结果进行了详尽的分析。