提出了一种金纳米十字双层等离子体结构阵列(BPNA), 采用有限时域差分法(FDTD), 计算了金纳米十字孔阵列、金纳米十字薄片阵列、二氧化硅阵列对结构透射性能的影响。计算得出的透射光谱中, 三者均对局域表面等离子激元(LSP)产生了影响, 产生的LSP共振峰强度和位置取决于十字孔的宽度、长度以及厚度和十字薄片的宽度、长度以及厚度, 通过增加介质层厚度分析出两个LSP共振峰的产生原因主要取决于十字孔缝产生的LSP或十字薄片产生的LSP, 而替换二氧化硅选用理想介质同样对LSP共振峰产生影响。对等离子体结构进行参数调节可以改变其透射性能, 调节后的半峰宽度(FWHM)高达0.72m, 透射强度高达0.96, 可以用来实现天线的高性能传输, 还获得了较高的灵敏度(FOM)值为17.22m/RIU, 对实现高性能的LSP传感器和光学器件有一定借鉴意义。

提出了一种含有光锥光子晶体防反射层和四棱锥光栅背反射层的a-Si薄膜太阳能电池结构, 吸收层厚1 μm, 总厚度为1.45 μm。根据光子晶体及亚波长光栅的衍射特性, 利用严格耦合波方法对器件参数进行了优化。计算结果表明: 当光锥结构倾角θ=72°、晶格常数T1=1 200 nm、介质底半径r=100 nm时, 防反射层的透射率较高, 在300~600 nm波长范围内, 该薄膜太阳能电池的吸收效率比不含防反射层电池提高了11.54%; 当四棱锥光栅结构周期L=1.2 μm、占空比f=0.38、槽深h5=560 nm时, 背反射层的反射效果较好, 在600~850 nm波长范围内, 电池的吸收效率提高了3.75%。所设计的薄膜电池结构在波长为300~750 nm、入射角为0°~75°范围内的吸收效率均在80%以上, 平均吸收效率达92%, 满足太阳电池对宽频谱、广角度的光俘获的要求。

利用光子晶体环形腔缺陷模与线缺陷波导之间的共振耦合原理,设计了一种由主波导、环形腔和60°弯波导组成的四通道二维三角晶格光子晶体解波分复用系统.通过平面波展开法计算线缺陷波导的能带结构;利用时域有限差分法(FTDT)计算了不同频率的光波在该系统中的传输特性.最后,分析了影响输出效率和品质因子的因素并对该系统进行了改进.分析表明:改变环形腔内介质柱的半径可调节谐振频率,而在主波导末端增加反射介质柱以及改变耦合区域中介质柱的形状可提高各通道的谐振频率光波的透射率.计算结果显示:该系统较好地实现了4个波长的解波分复用,透射率均达90%以上.另外,该系统结构简单,便于加工制造,且体积小,有利于大规模集成.

提出了一种在二维三角晶格光子晶体线缺陷波导中放置椭圆空气孔的耦合腔波导结构。基于平面波展开法, 利用MPB对线缺陷波导的能带结构进行了计算并给出能带图。基于时域有限差分法(FDTD), 利用MEEP对椭圆空气孔在波导中的排列方式、数量、尺寸进行优化设计, 并对频率位于微腔共振频率处的光波在耦合腔波导结构中的品质因子和传输特性进行研究与比较, 给出了电场分布图。仿真结果表明, 当椭圆空气孔的长轴方向纵向排列时, 相应的微腔共振频率在光子禁带内可获得90%以上的透射率, 对应的品质因子Q可达104量级; 选择合适的参数, 获得的Q可高达107量级, 对应共振频率的透射率仍在60%以上。

提出了一种包含增透膜和背反射层的非晶硅薄膜太阳电池结构，其中增透膜由折射率从低到高的4层介质材料组成，背反射层由三角形介质衍射光栅和一维光子晶体结构组成。利用严格耦合波理论和平面波展开法，对介质层厚度和光栅进行优化设计，数值计算了增透膜和背反射层在入射角为0°～60°之间的反射效率。结果表明,增透膜在300～750 nm波长范围内存在高透射率，背反射层在600～750 nm波长范围内存在高反射率。对于活性层厚度为700 nm的非晶硅薄膜太阳电池，在入射波的TM偏振状态下，入射角小于75°时，电池经优化后在300～750 nm波长范围内平均吸收率为95%。

分别设计与优化了非晶薄膜太阳能电池的上表层和电池底部结构, 采用严格耦合波方法(RCWA)数值计算了电池的光吸收。计算结果表明: 在仅考虑TM偏振的情况下, 优化后的增透膜与无增透膜相比, 300~840 nm波长范围内的吸收平均提高了35%左右; 优化后的背反射器与无背反射器相比, 700~840 nm波长范围内的吸收平均提高了23%左右。该非晶硅薄膜太阳能电池结构在全角宽频范围内有较高吸收, 可以提高太阳能电池的转化效率。

基于时域有限差分方法, 通过仿真计算设计了一种具有较高品质因子和传输效率的二维光子晶体耦合腔波导结构。通过改变二维光子晶体波导微腔结构中隔绝波导与微腔的空气孔的半径和数量, 在获得近似90%的传输效率的同时, 使得品质因子达到了8.20×104。为了使品质因子在大幅度提高的同时, 传输效率只有小幅度的降低, 在波导微腔结构中引入了链式微腔。将链式微腔结构与传统的波导微腔结构相结合, 使这种新形式的耦合腔结构的品质因子提高了1个数量级, 传输效率仅下降了约40%。

为解决光学系统中普遍存在的菲涅耳反射问题，提高光的透射率，设计了一种二维矩形SiO2光子晶体结构光栅。采用勒让德多项式展开法对该结构在可见-近红外波长范围入射光波的透射率进行了模拟计算，寻找到了合适的占空比e、光栅深度h和基底厚度d，使得光栅的透射率在入射角为0～60°范围内、入射波长在400 nm～1 200 nm范围内变化时，其透射率的变化相对稳定，透射率的平均值可达到96%以上。

采用二维正方排列的光子晶体，根据微腔缺陷模和波导模共振耦合原理，设计了一种新型的多信道下载滤波器，该滤波器通过主波导、90°弯波导和共振微腔的组合，提高了各个信道下载波导的下载效率。利用二维时域有限差分法模拟了滤波器的传输特性，并理论分析了影响下载效率的因素，进一步对滤波器进行了优化，使得各信道下载波导的下载效率均在91%以上。模拟结果表明该滤波器能有效地实现光波的分波下载，传输谱信道波长间隔约为20 nm，中心波长误差为±2 nm，传输谱的最大半宽度为3.2 nm，有良好的波长选择性，证实了增大下载波导和共振微腔的耦合区域可以有效地提高滤波器的下载效率。

设计了一种由一维衍射光栅和一维光子晶体组成的用于薄膜硅太阳能电池的背反射器，采用勒让德多项式展开法对一维光子晶体和三角形光栅结构进行了参数优化，并对400～1 200 nm入射电磁波的反射率进行了模拟计算。结果表明: 在高反射率的一维光子晶体作用下，利用衍射光栅可以得到大倾角的反射光，有效地延长光子在电池吸收体的传播路径，使其得到充分吸收。衍射光栅加光子晶体结构的背反射器可以大幅提高电池的捕光能力，提高太阳能电池的转化效率。