高分辨天文光谱探测是探索宇宙起源和演化、揭示未知天体现象以及检验和发展理论模型的重要手段。为了解决光子光谱仪在实现高分辨率观测方面的限制，本文进行了一系列相关理论和实验研究。针对色散机制和天文实际观测问题，提出并实验验证了级联式波导阵列（Cascade Arrayed Waveguides，简称CAW）的高分辨率色散芯片可行性，并对开展高分辨天文光谱探测所需要的多目标探测以及高精度定标进行了相关实验研究。 

主要研究内容和创新性成果如下： 
1. 提出了级联式阵列波导芯片的设计方案，并在实验上验证了芯片的高色散能力。针对光子光谱仪难以实现高分辨率天文光谱观测的问题，首先对通过光栅获取天文光谱的方法进行了理论推导，在此基础上对直接色散型光谱芯片的工作机理进行了系统分析，并基于此机理提出了CAW色散芯片的设计方案。CAW色散芯片可以使得不同波长的输入光在输出端形成不同方向角的平面波前，且其理论分辨率可以达到10万以上。 
2. 设计并搭建了一套CAW光谱仪的原理样机。先后设计了分别为2万和10万分辨率的CAW色散芯片，结合光栅的正交色散在实验上验证了CAW光谱芯片可以实现高分辨率光谱探测。最终在J波段的实测光谱分辨率分别为15,000和60,000。 
3. 设计并制作了重排布芯片，实现了多目标光谱观测效率的提升。针对密排光纤的排列方式难以满足多目标光谱探测日渐增长的观测需求，设计并制作了波导重排布芯片作为光纤和光谱仪之间的转接件，可以实现观测效率4倍以上的提升。结合CAW光谱仪，有望在未来天文多目标/积分视场光谱观测中得到应用，尤其是空间或视宁度较好台址下的光谱巡天应用。 
4. 提出了基于铌酸锂波导的电调双脉冲重频放大方案，并设计了多级放大的重复频率放大芯片。针对光谱仪的分辨率与定标用光梳的重复频率不匹配的问题，提出了基于铌酸锂波导的电调双脉冲重频放大方案，在理论上可以实现2的幂指数倍数的重复频率放大，将传统的百兆赫兹的光纤光学频率梳放大至数十GHz量级，结合CAW色散芯片，可以同时实现高分辨率和高定标精度的光谱探测。