近年来,随着微纳光学和微细加工技术的发展,利用光栅结构简单、易于集成、制作工艺简单等优点,微纳光栅在缩小光电子器件的尺寸、减小器件的功耗、提高光电器件的集成度和性能、实现功能丰富的大规模光电集成回路等方面发挥着日益重要的作用。其中,基于泄漏模谐振现象的微纳光栅,由于它特有的衍射特性及其巨大的科学意义和使用价值,吸引了世界各国科研工作者的目光。与单齿均匀光栅相比,多齿光栅在设计自由度、控制光栅区域光场分布、控制光栅中泄漏模的衰逝、实现宽谱及大角度响应等方面具有巨大优势。鉴于此,论文在国家自然科学基金、国家自然科学基金国际合作与交流项目的资助下,主要围绕硅基微纳多齿谐振光栅,设计了几种高效的光传输与控制器件,其可以广泛的应用于激光器、光探测、太阳能电池以及光通信系统中。论文主要研究内容与贡献如下:1.根据严格耦合波分析方法(Rigorous Coupled-Wave Analysis,RCWA),结合论文研究实际,推导出了基于绝缘体上硅(Silicon-on-Insulator,SOI)材料系统的二维多层多齿光栅结构的严格耦合波法,数值分析表明,该方法表现出了较好的数值稳定性,它为研究二维多层多齿光栅结构提供了基本理论基础。2.基于光子能带理论,利用平面波展开法研究了多齿谐振光栅的色散特性,并设计出了具有宽带特性的多齿谐振光栅慢光器件。随后,使用平面波展开法对光栅参数与慢光的特性做了数值分析。最后给出了多齿谐振光栅实现宽带慢光的一种方案,将多齿谐振光栅合理的进行串联可以实现以1550nm为中心的36nm带宽的慢光。3.根据严格耦合波分析方法并结合时域有限差分算法,基于高折射率差材料以及多齿形状调制光栅层,设计了一种高性能的亚波长多齿双功能光栅偏振分束器。数值分析表明,在120nm(1.46~1.58μm)宽谱范围内,该器件TE偏振光的0级反射率大于97%,角度带宽为27.6°;而在1.55μm波长处,此结构对于TM偏振光能够实现50/50反射与透射光束比。此外,研究表明,该器件具有较好的工艺容差性能,有利于器件制作。4.应用多层光栅严格耦合波分析方法,设计和制作了一种基于多层多齿谐振光栅结构的高性能非偏振光栅反射镜。得益于TE和TM波的泄漏模谐振的共存及相互作用,实验分析表明,该器件在1.65~1.72μm较宽的频谱范围内,具有0级反射率大于97%、角度带宽约为24.6°、插入损耗(insertion loss,IL)小于0.25dB,以及偏振相关损耗(polarization-dependent loss,PDL)小于0.18 dB的优越性能。另外,参数分析表明,此器件在现有工艺误差范围内表现出比较好的工艺容差性,在较宽的波段范围内,其对器件反射谱的影响很小,有利于器件的制作。5.基于等效介质理论和时域有限差分算法,优化设计了一种高性能的多齿谐振光栅耦合器,其在工作波长1550nm处,TE偏振光、5度入射时,耦合效率约为71%,其效率要高于传统的耦合器。此外,还分析了此耦合器的光栅厚度、波导厚度、光栅周期等特性参数对于耦合效率的影响情况。