光栅的研究与应用有着悠久的历史。随着现代集成光学的发展,特别是硅基光电子学的发展,新型的微纳米级光栅器件由于其结构紧凑、功能多样、制作方便,在现代集成光学中占据了一个重要的位置。作为集成光学中的耦合器件,光栅耦合器具有耦合效率高、耦合对准容差大、制备封装成本低、无需芯片端面抛光、可以在芯片任何位置实现信号上载下载等优点,成为集成光学中最具潜力的耦合方法。集成光学的微纳米线条尺寸使得其很多光学器件存在偏振敏感性,降低了集成光学系统工作的稳定性。对于偏振不敏感的集成光学器件的研究已经受到人们的关注并初有成效,然而硅基集成光栅耦合器的偏振无关特性的实现却仍是一个难题。本文在“国家自然科学基金”的支持下,对硅基集成光栅耦合器进行了理论和实验研究,并对偏振无关的硅基集成光栅耦合器进行了研究与创新。主要工作如下:(1)介绍了光栅耦合器的理论与制作、测试方法。对完全垂直输入光栅耦合器与输出光栅耦合器进行了设计与优化,对光栅耦合器进行了工艺制备与性能测试,并采用热氧化方法将硅基光栅器件刻蚀后的表面粗糙度由11 nm减小到了5 nm。介绍了光栅耦合器在硅基混合集成中的应用,并进行了一些工艺制作。(2)提出了一种偏振无关的新型T型光栅耦合器,在1510 nm-1580 nm波长范围内,器件的偏振相关损耗低于0.05 dB,TE和TM模式的耦合效率高于50%,实现了高效率、偏振无关的耦合功能。(3)设计了采用光栅进行耦合的偏振无关的硅基混合集成光探测器,将T型偏振无关光栅耦合器应用在硅基混合集成光探测器的耦合中,在1490 nm-1560 nm波长范围内,器件的偏振相关损耗低于0.05 dB,耦合进入有源层的效率高于80%,实现了硅基混合集成光探测器的偏振无关特性。(4)对偏振无关的另一种实现方式——偏振分束进行了介绍,提出了一种基于slot刻槽光栅的偏振分束器,其在1530 nm-1630 nm波长范围内,器件的偏振消光比大于15 dB,实现了偏振分束功能。