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。

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。

分析和优化了凹面光栅衍射效率自动测试仪的测量精度，以提高凹面光栅相对衍射效率测量结果的准确性。根据凹面光栅相对衍射效率测量原理，对凹面光栅出射光谱增宽、衍射光束截面变化、光源辐射亮度的控制和测量波长同步精度等影响测量准确性的因素进行分析，给出了必要的运算关系式。采用回归分析等数学方法，基于大量实验数据建立了测量结果的优化公式，并将该公式编入测量程序，实现了在测量结束的同时自动优化测量结果。实验表明，经过优化后的测量值更加准确，与相对衍射效率理论值的偏差均在±2.5%以内，有效提高了仪器的测量精度。该方法操作简单，无需添加或改动仪器的任何部件，可满足仪器实时性强、测量准确的要求。

研究了Czerny-Turner正交型光栅单色仪的波长校准技术。 结合单色仪的结构参数和特点， 提出以符合光栅方程的正弦曲线作为仪器出射波长的校准方程， 基于最小二乘法原理给出校准方程的拟合残差表达式， 由于校准方程的非线性， 应用二维Nelder-Mead单纯形法求解拟合残差的待定系数， 建立了波长与光栅转角的精确表达式， 并通过实验验证了该算法的准确性。 结果表明， 经过校准的单色仪波长定位精度小于0.1 nm， 比设计要求提高一个数量级。 该方法在Czerny-Turner正交型光栅单色仪的波长校准过程中， 应用简单， 容易实现， 只需稍加修改步进电机的控制程序， 即可完成对仪器出射波长的快速实时校准， 实用性强。

平面光栅双单色仪是构成光栅衍射效率测试仪的重要组成部分， 为了完成光栅衍射效率测试仪的研制， 需要对平面光栅双单色仪的光学系统进行设计和模拟。 仪器主要由光源、 前置单色仪、 测量单色仪和探测器组成； 结合仪器的实际使用需要， 确定了光源、 探测器和光路结构， 根据仪器的设计要求， 分别对前置单色仪和测量单色仪的光学系统进行设计和模拟， 给出了各自光学系统的像面点列图和实际光线追迹数据。 设计结果保证了仪器光学系统的测量准确性。

为了获得准确的平面光栅衍射效率测量结果，需要对平面光栅效率仪的测量过程进行分析。通过对测量过程中影响测量结果的光栅出射光谱增宽和衍射光束截面变化等主要因素进行分析，给出了两者关于入射波长和光栅刻线密度的关系式。运用多元线性回归分析的数学方法，在大量实验数据的基础上，建立了回归修正公式，分别从理论和实验上验证了修正公式的准确性和可靠性，并将此修正公式编入测量程序，可以在测量结束的同时自动修正测量结果。结果表明，经过修正后的测量值更加接近理论值，偏差均在±2%以内，可以实现对光栅衍射效率的准确测量。该方法不仅实时性强，而且不必对仪器部件做出任何改动，满足仪器操作简单、测量快速准确的要求。