21世纪以来,人类社会信息化进程加快,数据处理和传输量急剧增长。目前,人类社会处理数据、传输信息的主要载体是集成电路,然而随着电子器件的集成度越来越高,人们在单位面积芯片上集成更多的晶体管越来越困难,摩尔定律越来越难维持,人们开始研究集成电路的替代品。光子与电子不同的物理性质决定了集成光路具有更宽的带宽和更快的传输速度,人们将目光转向集成光子芯片。虽然硅有发光效率低、电光效应弱等物理上的缺点,但硅作为一种非常成功的集成电路材料,具有成熟的CMOS加工工艺,所以硅成为了集成光子学主导的材料平台。目前的硅基光器件主要还是针对特定的需求去研发制作,然后通过光纤或波导实现元器件之间的互联。所以人们设计了很多硅基光器件,这些器件的发明为硅基光子集成的高效传输和调控提供了保障。光栅作为一种重要的衍射光学器件,独特的衍射性质使它在耦合、模式转化、滤波等方面都有重要的应用。基于光栅结构,本文做了两方面的工作,一:设计了一种基于双层光栅的垂直耦合器,二:在太阳能吸光薄膜上引入光栅,提高电池的陷光能力。(1)垂直耦合器。现在的集成光路主要通过光纤将各光学元器件连接起来,达到光互联的目的,光纤-芯片间的高效耦合具有很大的应用前景。光纤端面与波导间尺寸差距引起的模式失配,严重地影响了两者之间的耦合效率,传统的矩形光栅很难实现真正的垂直耦合。所以,本文设计了一种基于双层光栅的耦合器结构,通过连续两次光栅衍射实现高效地垂直耦合。原理上,这种耦合器克服了单层光栅背反射强的缺点,利用上下放置的两个光栅,实现了对光路传播方向90度的偏折。选取合理的结构参数,在1500-1600nm波段,这种垂直耦合器达到了 58%的耦合效率,2db带宽为60nm。(2)光栅结构在提高太阳能电池陷光能力上的应用。太阳能是一种清洁、可再生的能源,太阳能的高效开发一直是人们研究的热点。太阳能电池就是利用光生伏打效应将光直接转化为电的装置,它的发电原理是:特殊材料的基态电子吸收光子能量后跃迁,跃迁电子注入半导体导带。所以,将光“限制”在介质分子层能有效提高载流子生成效率,提高电池的转换效率。我们设计了一种基于衍射光栅的陷光结构,通过在电池薄膜引入光栅,成功的提高了电池的转换效率。当引入的光栅周期是750nm,占空比是0.65时,在350-850nm波段,这种结构的太阳能电池获得了 19.7%的转换效率。