超高密度大容量数据存储在国民经济及国防中具有重要作用。多波长光存储与集成化、微型化技术的结合为实现高密度大容量光存储开辟了新研究思路。本论文以多波长光盘读写头合分束实现方法及亚波长光栅器件为主要研究内容。通过分析对比多种集成方案并考虑加工水平,选择平板光学系统作为实施方案。基于平板光学、薄膜光学和衍射光学,设计并研制了多波长光盘读写头合分束实验系统,研制了平板合色器、多波长偏振分光器、多波长消色散波片及分色光栅等器件并对整体系统进行了测试,实验验证了该方案的可行性。利用亚波长光栅的形状双折射效应,提出了一种新型宽光谱偏振分光结构。应用等效介质理论及严格矢量理论,针对可见光宽光谱、大间隔离散多波长及红外波段宽光谱,分别设计了具有高分光比偏振分光功能的亚波长光栅,分析了加工及装配误差对器件性能的影响。设计了宽光谱闪耀光栅以解决偏振分光光栅在使用中光线导入及导出的问题,使该器件的实用化成为可能。研究了采用严格耦合波理论设计亚波长光栅实现宽光谱、窄光谱及大间隔离散多波长消色散位相延迟功能的原理与方法。提出了多维穷举与局部寻优相结合的设计方法,可在宽光谱范围内实现消色散位相延迟。采用矩形和正弦形亚波长光栅设计了和可见光波段宽光谱消色散位相延迟器,性能达到甚至超过二元复合消色散位相延迟器。所设计的窄带消色散位相延迟器性能优于目前已报道的设计结果。分别采用电子束直写和干(湿)法刻蚀以及干涉曝光等工艺加工了实现可见光宽光谱消色散位相延迟功能的矩形和正弦形亚波长光栅。首次实验验证了亚波长光栅实现该功能的可行性。应用亚波长光栅代替原有折射元件,重新构建了改进型多波长光盘读写头合分束系统,重量和体积明显降低,集成度和可靠性大大提高,充分体现了亚波长光栅在光学系统集成化、微型化中的作用。