提出了一种基于二维光子晶体的波导型宽带光子晶体1×3分束器，通过在波导分支处引入一个调控介质柱并优化其半径和偏移量，可以调控分束器各输出端口的透过率；通过在两分支波导内侧引入三组带宽优化介质柱并优化其半径，可以实现分束器的宽带特性。为了提高优化效率，获得性能优良的宽带分光比可设计的分束器，利用下山单纯形算法，根据特定的分光比目标，对提出的1×3分束器进行逆向设计和研究。结果表明，不仅提高了光子晶体分束器的优化效率，而且获得了性能优良的宽带分束器。设计的1×3等比分束器在1525~1565 nm带宽范围内的附加损耗低于0.199 dB，均匀性小于0.119 dB，响应时间在0.5 ps以内；设计的1×3不等比分束器在1525~1565 nm带宽范围内的附加损耗不大于0.177 dB，分束方差不大于6.88×10^-4，响应时间在0.5 ps以内。该分束器在未来全光通信网、光子高密度集成等领域具有很好的应用前景。

创新性地提出了一种基于高Q值轴向渐变型空芯微腔的高灵敏流速传感器，实现了微压状态下微腔回音壁模式共振光场对流体的直接检测。首先，利用流体动力学和有限元算法理论分析了轴向渐变型空芯微腔的流速和光场特性。其次，通过熔融拉锥和气压控制法制备了高Q值（Q>10⁷）轴向渐变型空芯微腔，利用五维高精度位移平台实现微腔与微纳光纤的高精度、低损耗耦合。实验测试并研究了不同尺寸、不同耦合位置时微腔回音壁模式共振光谱的流速传感特性，获得的最大流速灵敏度达0.27 pm/（μL/min），流速分辨率为1.43 μL/min。该传感器具有较高的重复性和实时性，在高灵敏度流体检测、水质检测等领域具有潜在应用价值。

提出一种基于二维光子晶体的镜像边腔耦合型电压和磁场强度双参量传感结构。在完整的光子晶体中通过空气孔的平移和尺寸改变引入缺陷，分别形成H0腔和改进的H1腔这两种光子晶体微腔；将H0腔和改进的H1腔分别与W1波导进行边腔耦合，并沿W1波导做镜像对称结构；在微腔中分别填充液晶和磁流体作为敏感材料，利用液晶的电光效应和磁流体的磁光效应形成电压和磁场强度的传感区域。由于光子晶体的光子局域特性，上述镜像边腔耦合结构的透射谱中形成两个相对独立的透射峰，通过测量两个透射峰的波长偏移量间接测量电压和磁场强度的变化。利用时域有限差分法，在各向异性的完美匹配层边界条件下对传感特性进行数值研究。结果表明：在电压范围分别为14~32 V和32~50 V时，电压灵敏度分别为0.65 nm/V和1.86 nm/V；折射率灵敏度和品质因子在14~50 V的电压范围分别为296 nm/RIU和3350，在10~40 mT的磁场强度范围分别为251 nm/RIU和2722，且磁场强度灵敏度为13.06 nm/mT。

为了提高生物参量检测的灵敏度和避免电磁干扰, 提出一种基于表面等离子共振的光子晶体光纤传感器应用于癌胚抗原(CEA)溶液的检测。该传感器采用不同直径空气孔进行三层排列的结构, 将金薄膜作为金属层镀在纤芯表面, 并在金薄膜和待测CEA溶液间增加一层基于核酸适配子的特异性适配层, 采用全矢量有限元法对该传感器进行数值模拟与仿真。仿真结果表明: 在折射率1.33~1.41范围内, 该传感器具有明显的表面等离子体共振效应, 灵敏度可达10000 nm/RIU,线性度为0.94919。

提出了一种基于表面等离子体共振和定向耦合效应的D型光子晶体光纤生物双参量传感结构。首先，用光子晶体光纤纤芯与金属膜层之间的表面等离子体共振效应检测生物液体的质量浓度。然后，用光子晶体光纤纤芯与缺陷芯之间的定向耦合效应和温敏材料的温敏效应作为温度传感机制测量环境温度。最后，用COMSOL Multiphysics有限元软件建立光子晶体光纤传感结构模型并进行数值分析。结果表明，基于表面等离子体共振的质量浓度传感和基于定向耦合的温度传感相互独立，该传感器在34.6~186.7 mg/mL人血清白蛋白质量浓度范围内的灵敏度可达5.44 nm/（mg·mL^-1），在20~45 ℃温度范围内的灵敏度可达17.3 nm/℃。

为了探究不同外涂层对传感性能的影响, 提出一种基于表面等离子体共振(SPR)的光子晶体光纤(PCF)折射率传感结构, 在光纤外表面镀有金属膜层。通过有限元方法比较了涂层材料分别为金、银、石墨烯和银+氧化锌时对传感性能的影响。数值研究表明: 当结构参数相同时,在1.33~1.38折射率区间, 涂层材料为石墨烯的传感结构的灵敏度较高, 达7000 nm/RIU, 涂层材料为金时灵敏度为5000 nm/RIU, 涂层材料为银和银+氧化锌时灵敏度都为4000 nm/RIU; 在灵敏度拟合线性度方面, 各涂层都具有较高线性度, 其中银涂层的线性度最高, 为0.99112。

为解决电化学生物传感的电磁干扰，提高光学生物传感的灵敏度，提出了一种基于表面等离子体共振（SPR）的光子晶体光纤（PCF）传感结构并将其应用于脱氧核糖核酸的检测中。为了易于检测，将Au膜镀在PCF的外表面直接接触待测溶液。利用全矢量有限元法结合各向异性的完美匹配层对该结构进行数值研究。结果表明，在1.333~1.347折射率范围内，该结构具有明显的SPR效应，在1300~1400 nm波长范围内形成了不同位置的共振损耗峰。当Au膜厚度为60 nm、占空比为0.6、孔直径为1.2 μm时，该结构的灵敏度可达到7250 nm/RIU（RIU为折射率单元），检测限可达到10^-6量级，品质因数为145 RIU^-1。该结构在生物传感、液态物质检测等领域具有潜在的应用前景。

设计了一种以高非线性三硫化二砷(As2Se3)作为纤芯、以温敏材料甲苯填充包层的悬吊芯光纤,并提出了一种产生可调谐超连续谱(SC)的方法。通过全矢量有限元法数值模拟了光纤中传输光的色散和非线性特性,利用非线性薛定谔方程和分步傅里叶算法分析了在甲苯临界温度为-90~110 ℃范围内产生的SC,并进行了结构参数和泵浦参量的优化;引入光谱平坦度(SFM)的概念,对模拟产生的SC进行定量分析。研究发现,当光纤纤芯直径为3μm时,利用中心波长为3.1μm、峰值功率为20kW、脉冲宽度为300fs的泵浦源可在临界温度下实现1.20μm光谱宽度的调谐;随着可调谐光谱宽度的增大,SFM略有下降,SFM的取值范围为0.89~0.92,这说明SC保持平坦。产生的可调谐SC在物质探测、光谱学和环境分析等领域具有广阔的应用前景。

提出了一种基于高非线性氟化镁光子晶体光纤产生紫外超连续光源的方法。采用分步傅里叶法求解光纤的非线性薛定谔方程,基于光子晶体光纤数值模拟了扩展到紫外波段的超连续谱的产生;通过分析光纤结构参量与泵浦光源参数对紫外超连续谱产生的影响,得出了光纤长度、色散参量以及泵浦脉冲峰值功率、初始脉冲宽度对超连续谱光谱宽度的影响规律。研究发现:当光子晶体光纤长度为8 cm、脉冲中心波长为450 nm、峰值功率为3.1 kW、初始脉冲宽度为40 fs时,可获得展宽至紫外的超连续谱,范围为279.6~769.0 nm。

基于一维光子晶体反射谱性能的可控性，设计了一种磁流体填充的一维缺陷型光子晶体磁场和温度传感结构。应用全矢量有限元法（FEM）对该结构的反射谱及其反射峰值随磁场和温度的变化进行了仿真研究。数值模拟结果表明，反射峰值随磁场和温度发生规律性移动。当周期为7，磁流体厚度为577.58 nm时，磁场灵敏度可达136.4 pm/mT，温度灵敏度可达-34 pm/℃。该传感结构既具有设计简单和线性度较高的特点，又能在同一结构中分别实现对磁场/温度的测量。