设计了一种适用于光电子集成电路的表面等离子体波导结构.利用三维全矢量时域有限差分法对该波导结构进行了数值模拟, 并分析了其在基模传输时的模式场分布与金属结构顶角的关系以及其能量限制性.研究了该波导结构在不同金属材料下的有效折射率和传播长度对芯层宽度的依赖关系, 讨论了两个该波导结构之间的耦合长度、最大转移功率和彼此间的串扰.结果表明: 光场被高度限制在芯层区域, 在金属结构顶角为135°时, 其能量限制因子更高；在金属材料确定的情况下, 有效折射率随芯层宽度增大而减小, 而传播长度增大；在芯层宽度一定的条件下, 两个波导结构间的耦合长度随波导间距增大而增大, 最大转移功率和串扰随波导间距增大而减小.

针对染料随机激光器特性与应用研究，讨论了无序介质中荧光粒子和额外散射粒子的发光性质、浓度变化以及颗粒尺寸与随机激光发射阈值之间的关系。采用时域有限差分法直接求解Maxwell方程组及速率方程组的方法，模拟仿真出了相应的发射谱线及浓度变化与激光发射阈值的关系曲线。所设计的样品中Rh6G-SiO2的质量分数为4%，其阈值大小为8.5 μJ/pulse时，额外微小散射体TiO2的加入对该介质随机激光发射产生的影响很小，可忽略不计。在此基础上，通过进一步模拟分析了处于不同条件和背景下随机激光的阈值特性。

提出在随机分布的散射微粒中嵌入环形波导结构以改善随机激光器的随机发射特性。利用时域有限差分法(FDTD), 数值模拟了内嵌环形波导的随机散射系统及其对比结构中光场的分布, 得到了各结构的模式频谱。结果显示, 本结构只在中心处有激光出射, 表明环形波导的存在可以影响随机系统的激光发射, 减少激光的模式输出, 并在一定程度上增强了出射激光的强度。

依据耦合模和传输矩阵理论, 设计了一个新型单微环三耦合点的可调谐微环滤波器模型, 并模拟仿真了输出端口的光谱特性。 模型结构中, 采用热光性质稳定的绝缘硅材料, 通过改变反馈波导的长度和温度实现对输出光谱的分析与调制。 仿真结果表明, 当耦合系数k=0.018时, 模型结构的自由光谱范围可近似认为达到43.8 nm, 品质因子可达1.25×105, 作为滤波器保持了很窄的带宽, 很高的品质因子和较大的自由光谱范围, 得出通过改变反馈波导的温度或长度可实现特定谐振波长处滤波效果显著改善的结论, 最后给出了相应的光谱曲线。

针对用光腔衰荡法测量气体浓度时存在严重非线性光学损耗, 输出功率密度偏低, 光源输出不平坦等问题,利用受激拉曼散射(SRS)非线性频移机制, 设计了以Si元素作为拉曼主要增益介质的拉曼激光器。在硅波导结构中设置了p-i-n反向偏置电压, 通过控制调节该电压值来降低由双光子吸收(TPA)引起的自由载流子吸收(FCA)以及由FCA引起的非线性光学损耗, 从而提高拉曼激光器的输出功率。在实验分析处理过程中, 将反向电压分别设置为开路、短路、5 V以及25 V4种状态, 分析比较了不同电压值下激光器输出功率的变化规律。实验结果显示: 粒子自由迁移时间从16 ns降低到1 ns, 表明输出功率在同等标准下得以显著提高, 进而改善了气体浓度测量的稳定性。

研究了不同尺度参数和粒子浓度下的ZnO随机介质相干背散射强度的分布规律, 采用时域有限差分法分析了不同浓度随机介质的光场能量空间分布, 预测了随机激光器阈值的高低。结果表明: 同一折射率的介质随着介质尺寸的增大, 相干背散射的带宽变窄, 局域化参量kl值相应增大, 使得局域化程度呈较大幅度减弱趋势; 并且随着介质浓度的增加, 相干背散射的带宽变宽, 局域化程度增强, 阈值降低。相干背散射有着光子局域化的先期特征, 现在已成为研究光子局域化出现与否的基本判断依据, 对研究光子局域化以及随机激光器具有重要意义。

为了研究用于表面等离子（SP）波的可集成表面等离激元受激放大辐射(SPASER)放大器，设计了植入饱和吸收体的金属绝缘体金属(MIM)结构放大器的基本组成。根据SPASER的基本原理，对激射条件进行了分析，给出了放大器的制作工艺和抽运脉冲的设计以及性能指标。结果表明研制的放大器在选择566 nm波长的入射光和532 nm波长的抽运光，放大区采用长度范围为1~1.5 μm的条件下，其脉冲响应时间可达100 fs，带宽为1.5~2 THz，SP的放大增益为30~60 dB。该SPASER放大器研究将为大规模集成光子学芯片设计提供理论和技术基础，可在下一代高速通信系统中得到广泛应用。

基于两点耦合和光波干涉控制相移思想提出U型波导耦合单微环的谐振滤波器结构。利用传输矩阵法推导了此结构的数学模型，采用Matlab模拟了输出端口谱线形状。当微环与U型波导的两个耦合点之间的距离为微环周长的整数倍时，此新型微环谐振滤波器比传统的双直波导耦合单微环滤波器的自由光谱范围增加1倍。针对该结构参数，同时讨论了耦合系数对输出谱线的影响，得出当耦合系数为0.018时，输出谱线具有最佳的消光比，同时保持窄的带宽和高的品质因子。

利用超灵敏的痕量气体检测方法对运动员比赛和训练前后的呼出气体进行了探测分析；采用激光光谱电流的探测的方法，设计的探测范围达到1×10-12~1×10-10 mol，且测量时间为0.5 s，为运动员比赛的身体状况检测提供有效的生理参数。关于光腔增强光谱和磁致旋转光谱的研究，为特殊环境与场合下，气体浓度测量提出了新的方法。

研究了散射粒子形状改变对光波在二维随机介质系统中的传输情况的影响。基于整体散射效应模型，建立了非球形粒子作为散射粒子的二维随机介质的模型。构建了模型的Maxwell方程，采用非均匀网格划分的时域有限差分(FDTD)方法解Maxwell方程，得到了TM模在非球形粒子二维随机介质模型中的传输及空间分布。采用快速傅里叶变换(FFT)对仿真获得的数据进行频谱变换，得到光波在频域上的发射谱。与以往的研究相比较，仿真结果表明，在非球形粒子系统中，光波的电场强度与球形粒子系统中电场强度随着散射粒子浓度的增加而增加不同，而是出现振荡的现象；发射谱显示，非球形粒子系统的模式竞争强于球形粒子系统，更易于实现模式选择。