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自由空间光束的扫描以及操控在成像、光检测与测距（Light detection and ranging,Li DAR）、光通信、全息投影等系统中具有重要应用价值。传统机械式光束扫描器件响应速度慢、体积庞大,已经无法满足科技应用的需求。光学相控阵能够通过电控的方式,实现自由空间波束快速且精准的扫描。随着光学微纳加工技术的发展,借助于光子集成的优势,由成百上千发射单元构成的天线阵列可以集成在硬币大小的光芯片上,因此能够大幅度减小波束扫描器件的尺寸及重量。片上集成光学相控阵有望成为自动驾驶、虚拟现实等应用中潜在的解决方案,因此受到了越来越多的关注。光学天线是构成光学相控阵最基本的部件。目前报道的光学天线拓扑简单、功能单一,无法精确控制天线口径场幅度及相位,因此难以实现复杂的自由空间光功能。光学相控阵一般是由平面上一维或者二维光学天线周期性排布构成,通过有源调节每个天线单元的相位,能够操纵阵面辐射波前,实现对自由空间波束的控制,包括波束扫描。其中,由具有毫米量级辐射长度的波导光栅天线构成的一维光学相控阵得到了广泛的研究。当单元间距为理想半波长时,相控阵天线远场波束扫描时不出现栅瓣。然而当阵列中波导间距小于一个波长时,会导致波导间强烈的能量耦合,从而无法对每个天线单元进行独立的相位控制。因此,光学相控阵中波导间的耦合与单元间距的相互制约使得远场波束宽角扫描受限。周期结构对电磁波能够产生特殊的响应,故被广泛应用于光子集成器件中。本文旨在将周期结构引入光学相控阵天线的设计中,充分发挥光学周期结构对电磁波的调控特性,拓展光学相控阵的远场波束扫描范围。同时灵活地利用等离子激元天线的设计自由度,挖掘其对自由空间辐射场调控的潜能。本文研究工作概括如下:1.提出了一种近波长高对比度光栅（High-contrast Grating,HCG）匹配层加载的氮化硅光学相控阵天线。利用光学中瑞利反常所产生的光谱异常透射的现象,设计了一种针对不同入射角的电磁波具有选择性透过的HCG周期结构,并将其作为相控阵天线的匹配层加载,实现了1.55λ0（λ0为自由空间波长）单元间距下总共28°的扫描范围,且副瓣电平小于-10 d B,解决了相控阵天线大单元间距布阵导致的远场栅瓣问题（当前报道的氮化硅平台上的光学相控阵单元间距一般大于2λ0,导致实空间扫描时总存在栅瓣）。另一方面,光学移相器一般是基于硅材料热光效应,而氮化硅材料热光系数仅为硅材料的十分之一,导致氮化硅平台上的移相器功耗大、效率低,针对这一问题,提出了一种基于电光聚合物包层调制的电光移相器。2.基于绝缘体上硅（Silicon on Insulator,SOI）平台,提出了一种亚波长（仍大于半波长）单元间距具有低串扰的光学相控阵天线。通过在两传输波导间加载基于一维周期介质块构成的反射边界,以抑制波导间的能量耦合。同时,所加载的周期结构与传输波导能够构成光学天线,倏逝场的能量可以通过周期性介质块的扰动以极弱的速率辐射到自由空间,能够获得极其窄的3-d B波束宽度。基于一维周期结构的加载,所提出的设计能够以亚波长甚至近半波长单元间距布阵,在传输长度为毫米量级情况下,依然保持低的波导间串扰,因此能够实现远场的宽角扫描。3.设计了一种宽角超表面焦平面阵列波束切换扫描器件。基于二次型相位分布,通过六个离散的高性能介质单元,设计了一种具有宽角工作特性的光学超表面,并提出了一种超简易的等离子激元光学纳米天线作为超表面的馈源。最后通过对超表面焦平面上的11个馈源天线进行切换激励,实现了±50°的波束扫描范围,且波束间的最大方向性系数波动小于2.83 d B。所提出设计解决了传统基于抛物型相位分布超表面在大角度入射时的偏焦问题。此外,利用所提出超紧凑的光学纳米天线作为超表面馈源,有利于焦平面上天线阵列大规模集成,减小扫描盲区。4.提出了一种基于SOI平台的高效率口径耦合纳米天线阵。通过对高折射率介质块在周期条件下进行分析,设计了一种具有宽带反射特性的二维HCG周期结构,将其作为光学天线的地板,抑制天线向基底辐射泄露的电磁波,同时天线通过金属口径面上的H形槽进行辐射。所提出天线实现了宽带的单向辐射特性以及75%以上的辐射效率,解决了基于SOI平台的光栅天线由于缺少地板导致较低自由空间侧辐射效率的问题。相比于未采用反射地板的阵列结构,所提出天线的方向性系数要高3.59 d B。5.提出了一种基于等离子激元间隙波导的正弦幅度调制光学漏波天线。为了展示所提出天线强大的波前整形特性,利用如下两种不同方法对天线口径场幅度及相位进行设计:（a）利用幅度全息的设计方法,对天线沿导波方向的调制幅度进行整体设计。通过理论分析、仿真、实验的方法设计并验证了高方向性波束、任意可设计相对幅度与辐射角的远场双波束、聚焦波束、艾里波束产生等一系列自由空间光功能。并且基于该设计方法,能够实现各种各样复杂的一维波前整形。（b）对天线中导波每个调制周期进行单独设计,从而控制每个辐射周期的辐射强度。通过设计具有切比雪夫幅度分布的天线口径场,实现了天线远场低于-15 d B的低副瓣特性。