为了提高GaN基LED的发光效率, 设计了一种新型LED模型, 该模型主要包括Ag光栅, 氧化铟锡过渡层和P-GaN光栅。首先阐述了利用该结构激发表面等离子体从而改善LED发光特性的原理, 讨论了该模型的加工工艺与制作过程。基于COMSOL软件, 利用有限元法对本文提出的LED模型进行了仿真分析, 得出该模型在不同结构参数下, 归一化辐射功率与归一化损耗功率随波长的变化规律以及电场分布情况。仿真结果表明, 在ITO过渡层厚度为55 nm, 周期为270 nm, 占空比为0.5时, 所设计的GaN基LED模型的发光强度较普通LED提高近30倍, 这一结果为研制高性能GaN基LED提供了可靠基础。

介绍了一套可见光音频传输系统, 该系统包含发射和接收两个模块。在发射模块端, 用手机播放音乐, 通过双音频线插头来输入音频信号;在接收模块端, 利用C12702-11 APD模块把接收到的光信号转换成电信号, 经过相关放大滤波等处理, 使音响就可以播放出清晰的音乐。采用透镜聚光和平面镜反光可实现5 m以上的通信距离。

为实现长距离传输及亚波长尺度的模式限制，在传统介质加载型表面等离子结构的基础上，设计了一种微孔介质加载混合表面等离子体波导，采用时域有限差分法(FDTD)对该波导模式场分布及传输特性进行了相应的研究。研究表明所设计的波导结构具有较强的局域场限制，通过在孔内填充增益介质，使混合等离子体波导的传输损耗得到了补偿，输出端的表面等离子激元实现了增益放大。结果表明，通过调整波导的几何参数和电磁参数，可以显著提高波导的场限制，降低波导本身的损耗，其中当孔与金属之间距离为44 nm时，波导的损耗达最小约为-13 dB/μm。这一设计可以为光子器件集成提供一定的理论和实验借鉴价值。

研究二维ZnO随机散射粒子中2个对称的圆形区域间光波的耦合特性。利用时域有限差分法(FDTD)数值模拟了二维随机散射系统中2个对称圆形区域间的距离D 变化时的光场分布及模式频谱图，并对D 不同时的情况进行对比分析。分析出射激光的强度和中心波长与D的关系，得到D=0.8 μm时为最佳情况。此时，出射激光中心波长为380.57 nm ，强度为4.81×10⁴。通过观察理想情况下散射系统在仿真过程中的光场分布图表明，2个圆形区域之间的电场强度经过耦合得到放大，且随着圆形区域之间距离D 的增大，出射激光的强度增强，光谱线宽度减小，模式数量减少。

构建了一种金属-绝缘体-金属(MIM)表面等离子体布拉格波导结构，绝缘层为一维布拉格光栅结构。在布拉格光栅结构中引入缺陷，形成布拉格纳米微腔。这种纳米微腔结构可以将光子能量很好地局域在微腔中，且在金属与绝缘层界面上光子能量最强。分析了MIM 波导的色散特性，获得了谐振波长为1550 nm 时微腔的结构参数。同时利用时域有限差分(FDTD)方法讨论了绝缘层布拉格光栅周期数、绝缘层厚度、微腔长度对微腔品质因子Q 和模式体积V 的影响。通过合理的选择这些参数可以提高微腔性能，使其具有极小的模式体积V 和高的Q/V 值，可实现光子局域化。

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.

设计了几种在较宽的通信区域色散平坦的准光子晶体光纤(PQF), 借助于全矢量有限元法, 分别研究了基于双包层结构的2种准晶格光子晶体光纤的色散特性。数值模拟结果指出: 对于PQF1, 通过合理选择结构的参数, 在光通信窗口1.45~1.65 μm的范围内准光子晶体光纤的色散数值可以控制在-2.41±0.28 ps/(km·nm)。小幅度增大孔间距, 可在1.350~1.736 μm的较宽波长范围内得到一条近零平坦色散曲线, 其色散值|D|可以控制在1 ps/(km·nm)左右, 达到-0.45~0.57 ps/(km·nm)。对于PQF2, 在1.45~1.68 μm的范围内其色散值可以控制在4.795±0.355 ps/(km·nm)。

在传统脊状等离子体波导的基础上设计了一种带有增益介质层的新型混合脊状等离子体波导, 其结构中的介质层部分包含两个区域: 前区为单一介质, 后区的脊是由2种介质构成的双层脊区。采用二维时域有限差分方法分析了波导结构的传输特性, 得到了TM模下的电场分布图, 并对输出功率以及传输损耗与结构参数和介质折射率的变化规律进行了讨论。结果表明, 在波导中引入的增益介质材料磷化铟后其损耗达到-6 dB/μm。此种波导结构对于光集成芯片的研究与制作具有重要意义。

利用三维全矢量时域有限差分法(FDTD)数值模拟了一种波导间隔金属条高度小于金属层厚度的表面等离子体激元(SPP)定向耦合器，并分析了其在基模传输时的模式场分布和能流密度分布，讨论了耦合长度、最大转移功率与间隔金属条高度的变化关系。结果表明，波导内沿纵向的能流密度在靠近间隔金属条部分的强度更大，有助于提高波导间耦合效率，并且当减小间隔金属条的高度时可以有效缩短定向耦合器耦合长度。这种亚波长定向耦合器结构可以应用在基于表面等离子体激元的集成光路中。

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。