单段式分布式反馈(DFB)半导体激光器的频率调制相位响应曲线在0.1～5 MHz之间, 且具有180°的相位反转, 其作为从激光器的光学锁相环(OPLL)结构难以实现锁相。为解决单段式DFB半导体激光器的锁相问题, 在单环反馈回路中加入可调超前移相功能电路和可调增益功能单元, 并优化相移参数, 实现MHz量级线宽DFB激光器相位的锁定。改进后OPLL在锁相状态下的残余相位噪声为0.012 rad2, 激光器线宽从2 MHz压窄到10 kHz。研究了反馈环路的环路增益对OPLL锁相性能的影响, 并给出了最优的环路增益控制参数。

光子化研究是相控阵雷达的发展趋势，光子晶体以其优异的集成度及光学特性在相控阵雷达光子化研究中具有广泛的应用前景。基于光子晶体波导慢光特性及热光调制原理，设计了应用于相控阵雷达波束形成网路的光实时延迟线。通过优化光子晶体慢光波导参数，所设计光子晶体光实时延迟线可实现延时量为0~36.69 ps的高精度调谐，得到23 GHz以上的延时带宽。通过优化实时延迟线群速度随温度的色散特性，温度每变化1 ℃，延时量变化量在0.36~1.57 ps/mm范围内。所提出的基于光子晶体波导的光实时延迟线，可实现延时量的高效、高精度调谐，相对于传统电域波束形成网络，具有集成度高、瞬时带宽大、调谐精度高等优点，为高频段宽带相控阵雷达波束形成网络的研发提供了理论基础。

为解决高速光收发模块中PCB差分布线由于过孔引起的不匹配及信号完整性问题, 首先利用HFSS、Hyperlynx等软件对差分过孔进行了建模研究和分析。在此基础上提出了通过差分补偿和增加接地过孔的方法, 可以实现差分线匹配, 从而改善信号完整性。随后, 通过HFSS仿真分别对两种方法在传输损耗和反射上的表现进行了验证, 并分析、比较了两种方法的特点。最后, 进行了2.5G光模块测试, 测试结果证明了改进方法的有效性。

针对温度波动对生物传感器探测性能的影响, 本文提出了一种三环型波导微环谐振器无热化生物传感器。传感器芯片以3个微环谐振器为一个传感单元, 3个微环谐振器并联排列, 且分别工作在1 500、1 550和1 580 nm波长, 以其中两个为基本探测微环, 另外一个作为备用微环。由于3个微环工作波长不同, 可通过运算消去温度对探测谱线变化值的影响项, 从而实现传感器的无热化探测。相对于传统的无热化方案, 本方案制备材料不受限, 且无需参考微环, 不存在浪费面积, 集成度更高。另外备用微环的设计可以防止部分微环工作失常时传感器无法工作情况的发生, 提高了系统的稳定性及可靠性。

鉴于波导定向耦合器在集成光路以及光电集成方面的广泛应用, 提出了一种基于光子晶体波导间高效耦合的光子晶体定向耦合器。通过主波导和耦合波导间的耦合, 可以实现对波长为1 490 nm和1 550 nm电磁波的高效分光。在将器件长度控制在30 μm左右的同时, 其总效率高达93.05%。另外, 发现主波导和耦合波导间介质柱结构参数对电磁波的耦合周期有着极大的影响。并通过将介质柱沿z方向拉伸0.1a(a为晶格周期), 设计了工作波长为1 530 nm和1 540 nm的光子晶体定向耦合器, 器件长度仅为60 μm。通过拉伸介质柱的纵向长度, 可以大幅减小耦合周期, 这对缩小器件体积以及实现更为密集的波分复用有着重要的意义。

综合微电子学及微纳光学的优势,硅基微纳光电子学正在快速走向实用阶段。与微电子制造技术兼容的微纳光子器件,包括调制器、探测器、分束器以及耦合器等均取得了重要的突破。但硅基微纳光源的研究则仍处在探索阶段。外部光源在多大程度上能代替片上光源？片上光源的最佳选择是什么？介绍、分析了目前硅基微纳光源的研究现状及进展,并对片上光源的研究趋势进行展望。

综述了硅基微纳激光器、调制器、探测器及光传输控制器件的最新研究进展。重点阐述了表面等离子体、量子阱、光子晶体及纳米光栅等新型结构在提高器件综合性能和降低器件尺寸方面的重大作用。同时, 还展示了用标准互补金属氧化物半导体(CMOS)技术, 实现硅基光子器件和电子器件在同一基片上微纳集成的巨大前景。