为设计高带阻损耗率光子晶体滤波器(PCSBF)结构, 通过选择适当的波导与长方腔谐振器耦合长度, 调整长方形谐振腔大小, 及内部m×n介质柱半径的大小等优化设计了该结构工作性能。用时域耦合模理论(CMT)定性分析了m×n长方腔谐振器设计的PCSBF工作特点, 得到了其强耦合帯阻损耗传输状态。用时域有限差分法(FDTD)研究了1440~1625nm波长段PCSBF输出性能。PCSBF归一化帯阻率曲线谱表明该滤波器带阻波段可具有归一化损耗率高、可调谐、平顶阻帯等特性。需要的帯阻波段依赖于该微型PCSBF结构设计, 在光纤通信和光路集成领域中滤除不需要的波长信号具有潜在的应用价值。

根据时域耦合模理论(Coupled-Mode Theory, CMT)分析了基于近长方环腔谐振器与波导侧边耦合结构的光子晶体带阻滤波器(Photonic Crystal Stop-Band Filter, PCSBF) 的工作状况, 得到了其正规化带阻损耗率L、腔失谐因子|ω-ω0|τ0、腔正规化损耗率Lc、正规化反射率R以及正规化传输率T之间的函数关系, 并探索了PCSBF的带阻损耗工作机制。用时域有限差分(Finite Difference Time Domain, FDTD)法研究了1450~1750 nm波段的PCSBF滤波性能。通过改变PCSBF结构中3×n(3≤n≤9)近长方腔的大小或腔内部柱半径都能调节该结构输出的正规化功率谱带阻波段。在输出的功率谱中采集了34个平均宽度为5817 nm的较宽带阻波段。信号传输强度损耗的平均值不小于8035 dB。结果表明, 该结构的波长阻带具有可调性宽、正规化带阻损耗率高等特点。根据实际需求, 通过改变PCSBF结构设计来调节功率输出谱, 可以有效滤除不需要的波长信号, 从而保证光纤通信系统和集成光路工作的稳定性。因此, 这种微型带阻元件在光集成和光通信等领域具有潜在应用价值。

在正方格二维光子晶体结构中设计了基于可调谐谐振腔的带通滤波器, 通过改变1×5谐振腔侧边调谐介质柱位置调节谐振腔与波导系统工作时传输的波段, 用CMT理论分析了输入端耦合衰减率及输入端失谐因子对滤波器的影响。借助FDTD方法得到了滤波器波长传输谱, 结果表明：当滤波器结构工作于1320~1810 nm波长段时, 输出端38个通帯的-3 dB带宽Δλ范围为4.18~11.15 nm, 通带峰值波长可调宽度为186.56 nm。该微型滤波器适于光电通信粗波分解复用WDDM系统设计和光集成设计等方面。

考虑到滤波器输入波导中入射电磁波和反射电磁波的相位差, 通过CMT理论分析了不同设计情况下的工作性能, 然后优化设计了光子晶体1×3谐振腔滤波器结构.用FDTD方法研究了滤波器工作特性, 改变1×3谐振腔下侧调谐柱位置得到滤波器结构的96个不同通带峰值波长平均正规化传输率为89.6%, 相邻峰值波长平均间隔为1.25 nm、平均传输带宽为1.19 nm、谐振腔平均品质因数为1 350.2、提取的峰值波长调谐范围在1 534.04~1 653.16 nm.结果表明：该滤波器具有正规化传输率高、带宽窄、波长信号提取强度平稳等特性.其结构在密集型波分解复用 (DWDDM)系统设计、光信号传感器件设计、密集型光路集成化设计等领域具有潜在的应用价值.

为获得超宽可调谐光波长信号分束,在二维光子晶体结构中设计了基于微谐振器的光信号分离器;通过耦合模理论定性分析了不同设计情况下光信号分离器的工作性能;用时域有限差分方法研究了两输出端对称的光信号分离器的工作特性,通过调节5×5微型谐振器的结构和整体柱的相对介电常数,分别得到了29个和38个通带,信道波导提取峰值波长与通带宽度的范围分别为1310.0~1655.5 nm和2.0~7.4 nm;该结构具有宽调谐通频带、有效滤除噪声信号以及同一峰值波长光信号等功率分束的特性;提出的结构在粗波分解复用设计、光信号功率均分设计、光学设计集成化等领域具有潜在的应用价值。

为设计性能优异的大调谐带宽的滤波器,在二维光子晶体结构中,利用波导与微型谐振器不同耦合结构设计了带有两类微型谐振腔的4种滤波器,借助于耦合模理论(CMT)定性分析了相位失谐因子、耦合因子比值改变对滤波器工作性能产生的影响。调节5×5微型谐振器的柱半径大小,用时域有限差分法(FDTD)方法研究了滤波器传输谱特性,结果表明:3种对称结构提取的各个峰值波长具有归一化传输率高(85.3%~99.9%)、通带宽度窄(1.8~5.6 nm)、提取峰值波长调谐范围宽(1308.0~1582.3 nm)的特性。与非对称结构滤波器相比较,对称结构滤波器的提取峰值波长具有更高的归一化传输率,其结构在光学信号提取接口、光传感、光互联网络设计上有潜在的利用价值。

光通信系统设计中波分解复用器是分离光信号的一种关键部件，用于分离光信号的微型谐振器特性直接关系到波分复用(WDM，wavelength division multiplexing)解复用系统的工作性能。在二维光子晶体中逐步优化设计了基于光子晶体方形谐振器(PCSR，photonic crystal square resonator)的单信道WDM解复用结构，借助于耦合模理论(CMT，coupled-mode theory)定性分析了波导与谐振腔结构的电磁波耦合相互作用，并用时域有限差分法(FDTD，finite-difference time-domain)数值模拟了其结构工作特性。结果表明: 基于PCSR设计的单输出端口WDM解复用结构在设计的参数范围中具有单谐振峰、中心波长宽调谐范围(1 501.4 nm~1 591.0 nm)、通带带宽窄(3.3 nm~9.1 nm)的特性。该结构可应用于WDM解复用光通信系统设计和光路集成设计等方面。

为了研究基于光子晶体波导的高性能滤波器, 采用调节谐振腔结构和优化耦合结构等方法, 基于耦合模理论, 在正方格光子晶体中设计了3种光子晶体弯折波导, 并进行了理论分析和仿真验证, 利用时域有限差分法取得了3种波导在S波段及C波段上的工作特性数据。结果表明, 3种波导在不同波段表现出良好的带阻或带通特性, 且其结构截止传输波长和通带传输波长随整体介质柱相对介电常数增加向长波方向移动, 介电常数εr每增加0.3, 截止传输波长和通带传输波长均增加6nm左右。这一结果对微型光传感器、微型光通信器件、集成光路等方面的设计都是有帮助的。

在二维光子晶体结构中通过调节光子晶体方形谐振器PCSRs(Photonic Crystal Square Resonators)与波导的耦合长度、耦合宽度、及其耦合柱半径优化设计了光信号分离器.借助于CMT(Coupled-Mode Theory)理论定性分析了两个PCSRs存在相互作用时, 结构中波导与谐振腔之间的电磁波耦合性能, 用FDTD方法研究了两信道传输工作特性.表明在设计的参数范围中, 基于PCSRs的信号分离器具有高正规化传输率、窄带宽、平稳的信号传输强度, 中心波长调谐范围宽的特性.该类结构可用于同一中心波长信号的功率二等均分, 也可用于不同中心波长信号的分离.该微型结构在片上的光路设计将是一类有潜力的构筑模块, 适于光通信领域波分解复用设计、光路集成设计等方面.