万物互联的智能化时代来临使得事物之间的信息交互变得频繁,传统的光通信网络面临着重大挑战,急需实现网络基础设施的更新换代。硅基光子器件以其低成本、高集成度、与CMOS工艺兼容的优势受到了研究者的广泛关注。波导光栅器件作为硅基光子器件的重要组件之一,可以实现光滤波,光耦合,光延时,光调制等多种功能,被广泛应用于光通信、微波信号处理、传感等领域,而且智能化、复杂化的应用系统对波导光栅器件的实现功能和性能指标提出了更高的要求。常规的正向设计方法基于第一性原理分析介质周期微扰和光谱响应的半解析关系,适用于常规功能的光栅器件优化设计。然而对于具有特殊功能的光栅器件,如任意定制频谱、偏振不敏感等,则需要借助于更先进的设计方法。本论文围绕无中断可重构滤波、多通道希尔伯特变换、偏振不敏感耦合等应用场景,针对性地采用耦合模分析、层剥离算法、智能优化算法等设计方法,对不同功能和结构的波导光栅器件进行系统性研究。主要的研究工作和创新成果如下:（1）采用基于耦合模理论的正向设计方法,提出并制备了基于环状级联多模波导光栅的上下路滤波器,实现了兼具中心波长可调、带宽可调、波长无中断切换的双通道可重构光分插复用器。其中中心波长调节范围达14.5 nm,带宽连续调节范围为0.2～2.4 nm,通过调节上下路滤波器的开关状态,实现了双通道光分插复用器的无中断调节。该方案同时支持无栅格的中心波长、带宽调节和无中断的波长重构,具有更宽的带宽调谐范围、更低的下载损耗和更少的控制电极。（2）提出了适用于多模波导布拉格光栅滤波器的层剥离算法逆向设计模型,利用该模型设计并制备了单通道无色散滤波器、单通道色散补偿滤波器、三通道无色散滤波器以及希尔伯特变换器,三种滤波器对应的3 d B带宽分别为4.0 nm,4.7 nm和1.4 nm;通带内群延时色散分别为0 ps/nm,5.7 ps/nm和0 ps/nm;带内群延时抖动分别小于1.7 ps,1.5 ps和2.0 ps。以上器件的实验结果和设计目标基本一致,实现了反射谱幅度和相位的精确调控。相比单模波导光栅滤波器,利用层剥离算法设计的多模波导光栅滤波器具有更小的延迟抖动、更低的插入损耗、更大的消光比和更大的特征尺寸。（3）基于自适应遗传算法逆向设计模型提出并制备了常规加工工艺约束的高效率偏振不敏感光栅耦合器。根据不同的功能需求,通过调节适应度函数的参数值,设计了两种结构不同的偏振不敏感光栅耦合器,第一种结构在1550 nm处对TE0模和TM0模的耦合效率分别为-7.6 d B和-7.9 d B,1.0 d B偏振相关损耗带宽为25.0 nm。相比之下,第二种结构在1550 nm处对TE0模和TM0模的耦合效率较高分别可达-7.6 d B和-7.2 d B,1.0 d B偏振相关损耗带宽则减小为22.0 nm。该偏振不敏感光栅耦合器为采用常规硅基光子工艺（220 nm厚的Si层和70 nm蚀刻深度）设计的性能最优的偏振不敏感光栅耦合器。（4）采用亚波长光栅辅助耦合结构实现了超紧凑的模式复用器。该结构通过在非对称定向耦合器的耦合间隔区引入亚波长光栅结构来增强模式之间的耦合强度,将耦合长度从17.0μm缩短到5.6μm。利用亚波长光栅辅助耦合定向耦合器串联组成了四通道模式复用链路,模式转换链路TE0-TE0/1/2/3-TE0的最小损耗为-0.2/-0.7/-0.7/-0.9 d B,对应输出端口与其他三个输出端口之间的最差串扰为18.0/19.1/16.0/18.2 d B。该方案具有插入损耗低、尺寸小、制作分辨率要求较低、通道数易于增加等优点。