光栅的研究与应用有着悠久的历史,随着现代集成光学的发展,特别是硅基光子学的发展,新型的微纳光栅器件由于其结构紧凑、功能多样、制作方便,在现代集成光学中占据了重要的地位。本论文以光栅为基本结构,基于等效折射率法和严格耦合波分析等方法,以光的传输方向、强度和波前形状调控为主要目标,找到影响光波传输的主要因素及其与微纳结构的关系,提出并制备出了基于等效折射率法的折射率人工剪裁的切趾光栅耦合器,设计出了高效率垂直光栅耦合器和波前调控器等,具体工作如下:(1)基于等效折射率法,提出并制备出了折射率人工剪裁的切趾光栅耦合器,用于解决光栅耦合器e指数下降的衍射模式与光纤高斯模式之间的不匹配。采用矩形和圆形两种表面微结构,获得切趾光栅耦合器最高耦合效率分别达到47.5%和49.5%,3 dB带宽67 nm和69 nm;对比均匀结构光栅耦合器,测量得到的最高耦合效率分别为41.8%和45.2%,3 dB带宽69 nm和73 nm。由于模式匹配,切趾光栅耦合器相对均匀光栅耦合器的耦合效率有了明显提升。(2)分析了光栅垂直耦合时耦合效率的影响因素,设计了垂直耦合光栅耦合器结构,以解决垂直腔面发射激光器与光栅之间的垂直方向耦合,仿真结果显示实现了垂直耦合效率达97.4%。进一步的,深入研究基于光栅结构的反射特性,设计出了基于亚波长高对比度光栅结构的反射镜兼垂直光栅耦合器,在1550 nm波长处获得99%的反射率和0.3%的垂直耦合效率。本工作为硅基片上光源的实现提供了两种可能性。(3)基于严格耦合波分析法,得出了光栅波前调控的方法,设计了具有凸透镜、锥透镜和闪耀光栅功能的三种亚波长光栅结构,透射率分别达到97%、97.9%和97.5%,以平面的方式设计出了微光学领域难于制备的具有良好的聚焦和闪耀效果的微纳结构。