光栅可以用于高性能的抗反射或反射表面,在光谱学、集成光电子、太阳能电池和通信等领域有众多应用。常规有序排列的对称结构光栅,能够激发有限数目的模式共振,从而在较窄的频谱范围内获得很高的透射或反射效率。然而在光通信、光传感和薄膜太阳能电池等诸多实际应用中,除了透射或反射效率,还对光电器件的偏振、入射角和带宽等方面的综合性能有要求。但是,以常规的简单对称光栅为基础设计的光器件难以同时满足对这些综合性能的需求。近年的研究表明,当引入局部非对称结构时,模式共振的数量及共振波长都可能随之改变,可以提高光器件的综合性能。因此,本文在提出了两种用于形成局部非对称结构的亚波长光栅设计方法的基础上,将其分别应用于薄膜太阳能电池和偏振无关反射器这两种典型的光器件的设计,并采用严格耦合波分析法对光栅器件的光学性能进行了数值计算,分析了光器件中局部非对称光栅对光操控的物理机理。结果显示,当局部非对称结构亚波长光栅应用于上述两类光器件时,在偏振、入射角或带宽等方面的性能均有所提升,证明了基于非对称亚波长光栅的光器件有助于满足复杂多样的应用场景。本文主要工作体现在三个方面。(1)提出了两种新型局部非对称结构光栅的设计方法。为了在长周期范围内形成局部非对称结构,本文提出了通过改变长周期中子结构的旋转角度以及组合不同长度周期结构这两种新方法来获得局部非对称光栅。经由旋转子结构单元或不同长度周期结构单元排列构成非对称长周期光栅,相较于常规的位置变化或形状参数变化方法,不仅减少了变量的数目,使设计简单,同时又能够满足设计局部非对称光栅的目的,能够在对称结构基础上进一步提升器件在偏振、入射角或带宽等方面的性能。两种方法根据实际应用的需求,将分别用于设计薄膜太阳能电池和偏振无关宽带反射器。(2)旋转方形柱阵列局部非对称结构光栅薄膜太阳能电池。为使光谱范围广、入射角变化大的薄膜太阳能电池获得高效且稳定的光吸收,采用第一种通过改变子结构旋转角度形成局部非对称结构光栅的方法,设计旋转方形柱阵列光栅。与无图案堆叠平板和优化后的标准方形柱阵列光栅太阳能电池相比,优化后的旋转方形柱阵列光栅太阳能电池的吸收增强率分别为78.54%和3.21%。此外,在任意斜入射角下,优化旋转方形柱阵列光栅太阳能电池的吸收总是高于优化标准方形柱阵列光栅太阳能电池。这些现象主要是由于引入旋转,产生了局部非对称结构破坏了对称性,它不仅将光衍射成更多的阶数,而且将更多的衍射能量集中到这些阶数,激发硅吸收层中更多的准导模式,从而导致吸收增加。此外,低入射角灵敏度和高结构公差都表明旋转方形柱阵列光栅太阳能电池具有稳定的吸收性能。在±60°斜入射范围内,最大光吸收仅下降10.08%;当方形柱的高度或宽度与最佳值的偏差在±20纳米内时,吸收下降也小于2%。此外,螺旋光栅上的另一个改变旋转角度的例子表明,旋转变化也可能有益于其他单一或复合结构。总的来说,旋转方形柱阵列光栅不仅有利于提高光捕获的效率和稳定性,而且通过旋转引入无序造成对称破坏的方法对于设计各种高吸收伪无序表面结构也将有效。(3)串联非对称一维条形光栅偏振无关宽带反射器。为了满足光通信与传感系统发展对光反射器的偏振和带宽的性能要求,将局部非对称光栅与正交串联反射排布方式相结合,实现了具有超宽反射带宽的偏振无关反射。首先,采用第二种采用不同周期结构形成局部非对称结构光栅的方法,设计一维局部非对称条形光栅。基于局部非对称结构,在TM模式下使得光栅的四个泄露模式能够分布在更宽的光谱上,从而实现了反射率大于98%的宽达469纳米的单偏振超宽带反射。其次,利用正交串联排布方式90°的旋转对称性,设计形成双层光栅反射,在反射率大于97%时获得了492纳米的偏振无关宽带反射。最后,对串联光栅之间的间距进行了探讨,结果表明:非对称串联光栅不仅在大间距和特定的小间距下能够实现宽谱偏振无关的反射,考虑间距的改变,还可应用于光滤波器和光传感器等方面。此外,为了后续研究中检测光器件性能,搭建了高精密无源光器件耦合测试平台。该测试平台通过步进电机对三维位移操作进行精密控制,同时利用摩擦力小、接触面积大的交叉滚珠导轨,以保证位移操作的稳定性和精确性,控制精度可达50纳米。另外,测试平台可通过计算机与步进电机结合的方式,自动化的进行光路准直,大大减少了实验检测的时间,降低了操作难度。高精密耦合测试平台不仅可以方便且精准地为反射器的性能检测提供不同角度下的入射光,同时能够满足实验室日后硅基光电子集成芯片中光器件的性能检测。