作为一种重要的分光器件,光学衍射光栅在绝大多数光学系统中扮演着至关重要的角色,其衍射效率和色散能力对光学系统所能达到的性能指标通常具有决定性影响。与其他类型的衍射光栅相比,透射式相位衍射光栅具有插损低、衍射效率高、制备工艺与常规微纳工艺技术兼容、设计更加灵活、可实现高色散等显著优点,因此在实际的光学系统中得到了越来越多的应用和关注,具有重要的研究意义和实际应用价值。本文针对高端口数波长选择开关研究过程中所需的966线和1200线两种透射式相位衍射光栅的设计和研制需求,应用严格的矢量耦合波理论(RCWA)建立了周期结构光学元件的理论分析模型和数值分析程序,并对石英基和硅基两种材料体系下相位光栅的衍射特性进行了分析和研究,为进一步开展高衍射效率和高色散相位衍射光栅的实验研制提供了必要和高效的理论分析和设计方法。论文所完成的主要工作如下:1.应用严格耦合波分析(RCWA)理论,针对TE和TM两种输入偏振态光场,建立了周期结构光学元件的严格矢量理论分析模型。与通常的标量衍射理论相比,该模型没有远场近似和傍轴近似等限制条件。在此基础上,编制了相应的MATLAB数值计算和分析程序,并对计算结果的可靠性进行了验证。2.应用所编制的数值计算和分析程序,分别对石英基和硅基966线矩形相位衍射光栅的光学衍射特性进行了研究。分析了光栅在TE和TM两种入射偏振态情况下,透射正一级衍射效率达到最高时,所分别对应的光栅占空比和调制深度,确定了合理的光栅结构。研究结果显示,以石英为材料时,TE极化下,占空比为52%、调制深度为2.31 μm时,光栅透射正一级可达到最佳衍射效率;TM极化下,占空比为72%、调制深度为5.44 μm时,光栅透射正一级可达到最佳衍射效率;以硅为材料时,TM极化下,光栅在占空比为91%、调制深度为2.41 μm,透射正一级可达到最佳衍射效率,以966线硅基矩形相位光栅不适用于TE极化情况。针对研究所得的合理光栅结构进行了适用波长范围内的衍射性能研究;对所需光栅调制深度过深的情况,提出并分析了一种可以在保证衍射效率的前提下使光栅调制深度有效减半的光栅堆叠结构,该结构对于实际光栅制作具有重要的意义;同时,结合光栅实际制作过程中可能产生的刻蚀偏差所造成的光栅变形情况,应用程序对变形后的相位光栅进行了建模分析与衍射性能计算。3.应用所编制的数值计算和分析程序,分别对石英基和硅基1200线矩形相位光栅的光学衍射特性进行了研究。分析了光栅在TE和TM两种入射偏振态情况下的衍射效率与占空比、调制深度的关系,研究结果显示,以石英为材料时,TM极化下透射正一级衍射效率最佳时的光栅结构参数为:占空比=19%,调制深度=3.8 μm;TE极化下的最佳光栅结构参数为:占空比=52%,调制深度=1.88μm;以硅为材料时,TM极化下的最佳光栅结构参数为:占空比=92%,调制深度=1.89 μm,而1200线硅基矩形相位光栅不适用于TE极化情况。针对研究所得的合理光栅结构进行了适用波长范围内的衍射性能研究并对其在实际制作中可能产生的刻蚀偏差进行了建模分析与衍射性能计算。