光谱仪是人们认识世界和改造世界的重要工具。在生产与科研中有着重要作用。在光谱仪的小型化过程中,由于集成平面光波导技术能够实现高分辨率和多通道数目的小型化光谱仪,并且通过与CMOS工艺兼容来降低成本,具有便携、高效以及价格低的优势,因而应用前景广泛。然而已有的基于集成平面光波导技术的光谱仪研究是针对生化传感应用和光通信等领域,还没有对于在遥感成像领域应用集成光学芯片光谱仪替代传统体式光谱仪的研究。本文针对一般卫星和飞机中使用的推扫式成像光谱仪的大波长范围、偏振不敏感以及多通道输入的要求,对其中的光栅色散型光谱仪和干涉型光谱仪分别提出了使用集成平面光波导芯片进行替代的方案,并利用实验室平台进行了光谱仪芯片的设计、制作和测试。本文的具体研究工作主要分为以下几个方面:(1)分析了集成平面光学器件的最基本组成部分--光波导。使用光波导的的解析和数值方法对其有效折射率、单模特性、偏振效应、耦合间距与色散进行仿真。对比了纳米线波导和大截面波导在成像光谱仪设计要求中的优劣,得出了在成像光谱仪应用中适合的光波导是大截面波导的结论。(2)给出了蚀刻衍射光栅光谱仪(EDG)的设计方法,包括一点法与两点法,并讨论了设计参数与蚀刻衍射光栅性能之间的关系。使用EDG的偏振补偿方法对硅纳米线波导平台设计偏振不敏感的大波长范围EDG进行了研究,发现其存在不能同时对所有波长进行偏振补偿的问题,进一步否定了使用纳米线波导的想法。因此使用大截面SiON波导进行了 650nm到1000nm可见-近红外波段的65输入波导和65输出通道的EDG设计,并使用标量衍射法进行了仿真。仿真结果表明大光谱范围EDG可以达到低串扰以及边缘波长损耗平衡。(3)提出了使用EDG芯片制作推扫型成像光谱仪的技术方案。在对比分析了多输入波导下使用同一个衍射级次和跨衍射级次的优劣之后,得出使用同一个衍射级次的方案有更好的通道均匀性和更低损耗的优点,且跨衍射级次方案在低衍射级次时无法使用。因此使用3μm的SOI平台设计了 1250nm到1750nm波段范围、129输入波导和129输出通道的EDG,对关键工艺容差的影响进行了仿真。接着对光刻工艺、硅深刻蚀工艺与光栅镀金属工艺进行了分析与改进,最后根据工艺条件和测试平台,制作了 65输入波导及65输出通道(129输出波导)的EDG,并进行了测试。测试结果验证了所设计EDG可以在大光谱范围内偏振不敏感的保持较优秀性能,可以作为光谱仪应用。(4)在干涉光谱仪及其在成像光谱仪中的两种静态工作方式基础上,提出了使用马赫-曾德(MZI)阵列芯片制作无需光开关的窗扫型成像光谱仪的技术方案,此方案既具有Jacquinot和Fellgett优势,同时又利用了集成光学器件的小体积、高集成度的优点。接着对傅里叶变换光谱仪进行了研究,对基于平面光波导MZI的干涉光谱仪原理进行了推导,获得了其分辨率和FSR的主要设计性能,并基于Si和SiON平台对其核心器件--光谱仪芯片进行了设计、制作。由于受到晶圆限制,基于SiON平台制作的芯片无法制作出符合设计要求的光谱仪芯片,只进行了简单测试与改进方向分析。对Si平台制作的光谱仪芯片进行了完整测试与分析,测试结果还原的谱线波长符合原本谱线,半高全宽符合分辨率,FSR符合设计,但是因为器件制作瑕疵和测试误差,存在频谱泄露现象减小了动态范围。(5)对集成平面光波导傅立叶变换光谱仪与传感器件的结合进行了研究,针对时间调制傅立叶变换光谱仪,提出了双环传感器级联热调谐傅里叶变换光谱仪的传感方案。通过仿真计算将其与强度探测传感方案进行了对比,仿真结果表明,提出方案在保留强度探测方案不需要昂贵的可调谐激光器和光谱仪器件的同时,有着光源无需加滤波器、灵敏度保持稳定及工作范围比双环强度探测的更大的优点。另外针对空间调制傅立叶变换光谱仪,提出了利用手机双摄像头进行手机中光谱仪集成的方案,并进行了初步的可行性研究。