Slot结构在提高集成波导光学传感器灵敏度和降低探测极限值方面具有极大的优势。对基于Slot结构的聚合物PSQ-Ls 波导微环光学生物传感器进行了研究。分析了850 nm 波段Slot波导的单波导高度、狭缝宽度及单波导宽度对传感器灵敏度的影响，在满足单模传输的条件下，得到了优化的微环传感器横截面尺寸参数。对Slot结构波导微环的弯曲损耗、自由光谱范围等进行了仿真分析，得到微环传感器的消光比、品质因子等随结构参数的变化，确定了优化的微环弯曲半径、耦合效率。与正脊形结构波导微环传感器相比，Slot结构波导微环传感器的灵敏度是前者的两倍，探测极限值是其一半。

温度敏感性是影响波导微环光学生化传感器性能的重要因素。从微环谐振方程出发分析了微环传感器温度敏感性产生的机理，研究了以SU8-NOA61-SU8 三明治结构聚合物衬底代替传统硅衬底，利用衬底的热膨胀效应抵消波导的热光效应，来消除聚合物波导微环光学生化传感器的温度敏感性。采用ANSYS软件对三明治衬底的厚度进行了仿真设计，得到了温度不敏感条件下的衬底厚度参数。对SU8 和NOA61 旋涂成膜工艺进行了实验研究，得到SU8和NOA61的膜厚控制精度分别为0.07 μm@20 r/min 和0.34 μm@20 r/min。分析得到三明治聚合物衬底波导微环传感器的温度敏感性和探测极限值，达到了带有温控装置的硅衬底聚合物波导微环传感器的性能。

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。

对应用于光控相控阵系统的级联微环集成波导光延时线进行了研究，重点分析了波导微环耦合系数在过耦合和欠耦合状态下对其延时响应的影响。以三环级联光延时线结构为例，研究了无限制耦合条件和过耦合条件下得到的优化结构参数以及获得的延时性能。结果表明，在小的延时量目标下，无限制耦合条件比过耦合条件更有利于实现带内平坦的延时响应和幅度响应，对集成波导微环光延时线的设计与实现具有良好的参考价值。

对马赫曾德尔干涉仪(MZI)构成的可调耦合器结构集成波导微环谐振腔延时特性进行了分析,推导得出该结构微环谐振腔的延时响应函数。研究表明马赫曾德尔干涉仪两臂相位差的变化在实现微环谐振腔等效耦合系数可调谐的同时,其引起的附加相位改变将造成波导微环谐振腔谐振频率发生漂移。分析了马赫曾德尔干涉仪中3 dB耦合器耦合系数偏差对等效耦合系数调谐范围以及微环谐振腔谐振频率漂移的影响。以四环级联微环谐振腔为例,分析了附加相位改变对延时响应的影响,通过采用环波导上相位修正的方法,获得了延时量为0.6 ns,延时带宽为2 GHz,延时抖动品质因子小于1×10-3 ns2的目标延时响应。

从波导微环谐振腔的光场传输函数出发,推导出其延时响应函数,分析了微环波导损耗对其延时响应特性的影响,发现应用于光学相控阵天线系统的微环谐振腔光延时线必须工作于过耦合状态,即耦合系数κ与微环波导损耗因子γ应满足关系式κ>(1-γ)。以延时抖动品质因子ε为判据,建立了微环谐振腔光延时线的优化设计方法,获得了目标延时为0.6 ns,延时带宽为2 GHz,延时抖动品质因子小于1×10-3 ns2的四环级联波导微环谐振腔光延时线的优化结构参数。

对新型聚合物光子材料杂萘联苯型聚芳醚砜硐(PPESK)波导薄膜的成膜工艺进行了系统的研究。分析了溶剂吸水性对成膜质量的影响,并通过氮气保护的方法获得了具有良好均一性的波导薄膜,其厚度一致性可优于1%,折射率一致性优于0.03%。采用棱镜耦合技术测量分析了PPESK波导薄膜的折射率、双折射、热光系数等光学特性,测量得到该材料在1310 nm波长处的损耗小于0.24 dB/cm,在1550 nm波长处的损耗小于0.52 dB/cm,表明该材料是一类性能良好的聚合物光子材料。