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高折射率差亚波长光栅(HCG)作为一种新型的亚波长光栅,具有周期小于入射波长且光栅层等效折射率与周围媒介折射率相差很大的结构特点,经过简单的结构设计就能获得宽反射谱、理想的偏振特性和聚焦光场等特性。本论文以HCG作为研究主体,围绕HCG独特的光学特性及其在高性能集成光电探测器上的应用展开研究。论文主要探讨了HCG的数值计算方法和等效介质理论一阶近似法,建立了基于有限元法的HCG分析模型,并设计出性能优异的HCG宽光谱高反镜、HCG偏振器以及HCG聚焦反射镜,最后将所设计的HCG结构引入新型长波长光电探测器结构中并通过仿真分析它对器件性能的提升效果。论文主要研究成果和创新点如下：1、分析了采用严格耦合波分析法(RCWA).有限元法(FEM)以及时域有限差分法(FDTD)对HCG进行数值仿真的方法,总结了三种方法的计算特点,重点分析了采用FEM对HCG进行仿真建模时选择特定设置条件的原因,构建出基于FEM的HCG分析模型,并通过两个实际的计算案例验证了建模方法的正确性,采用该模型分析了HCG的周期、占空比、厚度、入射角度、入射波长等特征参数对其衍射特性的影响,最后系统推导了采用等效介质一阶近似法分析HCG的方法。2、设计出一个基于SOI的HCG宽光谱高反镜,该反射镜在1318-2161nm波长范围内对TM偏振光的反射率高达90%以上,具有非常理想的宽光谱特性(Δλ/λ>39%)。3、基于HCG的宽反射谱特性,设计出了一个特性优良的基于SOI的HCG偏振器,这个偏振器具有宽光谱特性,能够在光通信波段1486nm至1603nm范围内,获得20dB以上的反射光消光比和透射光消光比,同时TE反射率和TM透射率均达99%以上,并且在入射波长1550nm处偏振器对入射角、占空比以及光栅厚度具备很好的误差容限,大大降低了该器件实际制备的难度。4、研究了HCG的相位调制特性及其通过非周期性结构设计实现聚焦反射光场和透射光场的工作原理,简要总结了HCG聚焦反射镜和HCG聚焦透镜的设计思路,并采用FEM对参考文献中报道的一个HCG聚焦反射镜进行了仿真分析并验证了它对TM偏振光具有良好的聚焦能力。5、通过实验测试了所设计的HCG宽光谱高反镜的反射谱,测试结果显示该HCG在1460nm～1610nm波长范围内对TM波的反射率为77.1%-87.8%,与理论仿真结果基本相符,从而验证了我们所设计光栅的正确性。6、对基于SOI的HCG在长波长PIN光探测器上的应用进行了探索,通过引入HCG偏振器结构,优化设计出一种基于HCG的漂移增强型双p-n结PIN光探测器结构。在TE波入射情况下,该探测器的效率带宽积(BEP)和3dB带宽分别为33.37GHz.39.25GHz,量子效率均在85%以上,比没有引入HCG结构时的量子效率提高了38%以上。