随着网络带宽需求呈爆发式增长，波分复用技术从主干网下沉到城域网和终端用户侧的接入网，作为波分网络核心器件的低成本可调谐半导体激光器日益受到关注。本文回顾了可调谐半导体激光器的发展历程，分类阐述了不同方案可调谐半导体激光器的工作原理和性能，评析了典型商用可调谐光模块的优缺点，并重点介绍了低成本V型腔可调谐激光器的研究和产业化应用进展。

设计了一种基于Nd∶GdVO₄和Nd∶YVO₄晶体的Y型腔双波长激光器，实现了大范围频差可调谐的双波长激光信号输出。通过独立调节激光器两晶体的热沉温度，控制热沉温度差从-50 ℃升高到30 ℃，测得双波长频差从270.13 GHz增加至379.75 GHz。通过调节两晶体对应的抽运功率，进一步实现双波长功率均衡，最终获得了功率均衡状态下频差调谐范围为266.05~379.75 GHz，输出功率为230 mW的双波长激光信号。

为实现结构紧凑且具有较高品质因数的纳米级折射率传感器，文章提出了一种含金属挡板的金属-电介质-金属(MDM)波导与U型谐振腔侧边耦合的等离激元波导结构。利用有限元分析法，定量分析了结构参数和介质折射率对该结构透射谱线及折射率传感品质因数(FOM)的影响。研究结果表明，U型腔中的二阶谐振模式产生谱宽较窄的离散态透射谱，而带有金属挡板的MDM波导形成较宽的连续态透射谱，两者相干叠加激发具有反对称线型法诺(Fano)共振。经过结构参数扫描分析得到优化后的波导结构折射率传感灵敏度可达800 nm/RIU，FOM可达47 382。该结构可以为纳米尺度的折射率传感器设计提供有效参考。

基于表面等离极化激元在亚波长结构的传输特性,提出了一种含单挡板的金属-介质-金属(MIM)波导耦合双T型谐振腔的结构。在近场耦合作用下,单挡板形成的较宽连续态与单T型腔形成的较窄离散态,经过复杂的干涉相消形成非对称的双重Fano共振峰。基于耦合模理论,研究了单挡板MIM波导耦合单T型腔Fano共振的产生机理,并采用有限元分析法对该结构进行了模拟仿真。在此基础上,研究了含双T型腔结构的四重Fano共振形成过程,分析了上下T型腔结构参数对Fano共振峰的影响。结果表明,上下T型腔产生的Fano共振峰互不影响,且由单个T型腔可以实现两个Fano共振峰独立可调谐,故含金属挡板的MIM波导耦合双T型腔结构可以实现四个Fano共振峰独立可调谐。该结构可为差动传感器和波分复用器的设计提供有效的理论参考。

基于表面等离激元在亚波长结构的传播特性, 提出了一种含矩形腔的金属-介质-金属(MIM)波导与T型腔耦合的结构。T型腔形成的较窄离散态与矩形腔形成的较宽连续态相互耦合, 经过干涉相消形成Fano共振。采用耦合模理论, 分析了Fano共振的形成机理; 运用有限元分析法对该结构进行模拟仿真, 分析结构参数对其折射率传感特性的影响。结果表明, 经过结构参数的优化, 其优质因子可达6.04×104, 灵敏度为1120 nm/RIU, 该研究结果可为光子回路的集成及纳米级传感器的设计提供理论参考。

线性光子晶体中可获得较低的慢光速度是以牺牲带宽为代价的。本文通过在光子晶体圆环型腔内加入克尔型非线性材料, 分别构建以三角晶格和正方晶格排列的非线性环型腔线缺陷波导, 利用有限元法对其慢光特性进行了仿真模拟。结果表明: 正方晶格具有更好的慢光效应, 获得的最佳慢光群速度为0.0055c, 在保证10-3c慢光条件下, 可达到0.001的相对带宽; 与线性光子晶体线缺陷耦合腔波导相比, 带宽提高了两倍, 实现了具有低群速度、高带宽特性的慢光效果, 对进一步发展光子晶体的光缓存有着重要意义。

为了研究一体化Y型腔正交偏振氦氖激光器腔内温度场分布对其输出频差稳定性的影响, 利用ANSYS有限元软件建立了该激光器的热力学模型。详细介绍了材料热参数的处理、激光器增益区热载荷的施加和换热系数的计算方法, 通过仿真得到了该激光器腔体在稳态和瞬态情况下的温度场分布。采用红外热像仪设备拍摄得到腔体表面的实际温度值, 与仿真结果对比, 表明二者的温度值差异小于1%, 建立的仿真模型准确可靠。激光器启动后, 热量逐步从增益区向非增益区传导。当激光器温度分布稳定时, 腔体存在明显的温度梯度分布, 其中表面区域温度梯度最大;表面温度最高点位于阴极附近, 最低点位于远离增益区的子腔体下表面。两子腔表面温度差值为0.05 ℃, 引起的频差漂移为0.067 MHz。研究表明: 激光器两子腔随时间变化产生的温度差值仍是制约激光器输出频差稳定性的主要因素, 为下一步提高频差稳定性和优化激光器几何结构设计提供了指导。

针对自主研制的Y 型腔正交偏振He-Ne 双频激光器，利用Lamb 半经典理论分析抽运电流、工作点和谐振腔损耗等因素对闭锁阈值频差的影响规律。搭建了Y 型腔正交偏振双频激光器闭锁阈值频差测量系统，从实验上开展对双频激光器闭锁阈值频差影响因素研究。通过改变抽运电流值和公共腔镜上压电陶瓷电压研究抽运电流和工作点对激光器闭锁阈值频差影响。实验结果表明，激光器闭锁阈值频差随抽运电流值增加而减小，工作点越靠近增益曲线中心，激光器闭锁阈值频差越小。当激光器抽运电流值大于2.2 mA 时，调节公共腔压电陶瓷电压至最佳工作点处，激光器闭锁阈值频差可降至几兆赫兹甚至更低。

回音壁模式(Whispering Gallery Mode，WGM)的光学谐振腔作为光学研究的重要工具具有广泛的应用前景。以超纯单晶氟化钙为材料加工了直径为5 mm，厚度为1 mm的CaF₂盘型腔，并用化学机械抛光法对其进行了光学抛光,得到了粗糙度为纳米级别的CaF₂盘型腔。搭建盘腔与锥形光纤的耦合测试平台测试所加工盘型腔的光学性能，测得在波长为1 550 nm时所加工的盘型腔的品质因数为2.1×10⁶。对CaF₂盘型腔损耗机制进行了理论分析，提出了提高CaF₂盘型腔品质因数的方法。