提出了一种用于电光调制和粗波分复用的片上集成器件。该集成器件的电光调制器模块和粗波分复用器模块都是由硅基光子晶体波导和L3型谐振腔组成,两个模块间采用硅基光子晶体波导连接。该器件根据等离子体色散效应,采用L3型谐振腔和PN结实现了对波长的调制;根据微腔与波导的直接耦合理论,采用L3型谐振腔结构实现了滤波。利用基于三维时域有限差分法(3D-FDTD)的Lumerical软件对其进行仿真分析,结果表明该集成器件在工作波长1530 nm和1550 nm下均可以先完成各自的电光调制再进行双通道波长的复用。该器件在工作波长1530 nm和1550 nm下的插入损耗分别为0.70 dB和0.95 dB,消光比分别为20.97 dB和22.05 dB,调制深度均为0.99,信道串扰分别为-29.05 dB和-27.59 dB,器件尺寸仅为17.83 μm×17.3 μm×0.22 μm。该集成器件结构紧凑,易于集成,可应用于高速大容量波分复用光通信系统。

基于边界耦合的方法构造一种基于金属-介质-金属(MIM)纳米谐振腔波导组成的滤波器,该结构由1个拱型谐振腔和1个矩阵波导管组成。通过有限元法(FEM)仿真分析拱型腔波导MIM结构滤波器的传输特性曲线、谐振波长和磁场分布图。研究结果表明该拱型腔滤波器具有平滑的传输曲线、平坦的通带、较宽的带宽,且通带透射率高达0.976,阻带透射率低至0.001,这表示此结构滤波器具有良好的滤波特性。通过对该拱型结构滤波器进行参数优化,可以在光通信波段的三个通信窗口上实现通道选择的滤波功能,该结构滤波器在高密度光集成电路和纳米光学中具有广阔的应用前景。

设计了一种带有枝节的金属-介质-金属(MIM)波导与T型谐振腔侧耦合的表面等离子体光波导结构。利用有限元法(FEM)，数值分析了改变耦合距离、T型腔几何尺寸及其不对称性、枝节高度对法诺(Fano)共振谱线的影响。结合电磁场分布进一步揭示了Fano共振现象产生的物理机理，由此可以动态调节表面等离子体波在结构中传输时产生的Fano共振特性。另外，研究表明在T型腔内填充不同折射率的材料，利用所设计的波导结构可以实现灵敏度高达940 nm/RIU的纳米尺度的折射率传感器。最后研究了结构的慢光传输特性，可以在Fano峰值附近实现约0.025 ps的光学延迟。这种新型的表面等离子体光波导可能会在光子器件集成、慢光效应及纳米传感领域有着较大的应用前景。

提出由T型空腔和挡板组成的两种金属-电介质-金属(MIM)波导结构, 分别为: 正T型空腔结构和倒T型空腔结构, 并应用有限元法系统地研究了该结构的透射特性.对于正T型空腔结构, 仿真结果出现了双重法诺共振现象, 并且共振波长可以通过改变T型空腔长度和高度进行调节.该结构有助于设计成敏感度达到1 620 nm/RIU、品质因数为5.4×104的纳米传感器.对于倒置T型空腔, 在波导中产生了多重法诺共振现象, 其敏感度可达1 560 nm/RIU, 品质因数为9.37×104.该结构有望在光学集成回路, 特别是纳米传感器、光束分路器方面具有广泛应用.

分析了硅基十字缝隙波导(SCSW)偏振敏感的原因，计算了不同偏振态下SCSW 的有效折射率和单模工作条件，分析发现通过合理的设计单模SCSW 的结构，可以达到偏振不敏感。提出并模拟了基于SCSW 的具有偏振无关特性的微环形谐振腔。该谐振腔的半径为3.7 μm，偏振无关的工作区域大约64 nm，自由光谱范围大约35 nm。

硅基盘型谐振腔由于其高品质因数Q 值的特性，作为谐振式陀螺的核心元件，有望实现谐振式陀螺的小型化、集成化，成为目前谐振式陀螺中研究的基础。谐振式陀螺的极限灵敏度受谐振腔的DQ 乘积(谐振腔直径D 与Q值的乘积)的大小直接影响，提出制作大尺寸的盘型谐振腔获得高的DQ 乘积，从而提升谐振式陀螺的极限灵敏度。通过理论计算仿真得到盘型谐振腔的Q 值、DQ 乘积以及陀螺灵敏度与谐振腔直径D 的对应关系及其原因，实验中，采用传统半导体工艺制备不同直径的盘型腔(400 μm~10 mm)，通过与锥形光纤进行耦合测试得到输出透射谱线，得到盘型谐振腔直径D 与Q 值的变化成正比关系，得到最优的盘型腔参数，当D=10 mm 时，Q 值可达1.2×106，通过提升工艺精度以及后续优化还有极大的提升空间，理想条件下将实验得到的数据通过理论计算得到谐振式陀螺灵敏度可达0.02°/s，提供了一种提高谐振式陀螺灵敏度的思路。

谐振光学环型腔作为光学陀螺的核心敏感单元, 其光学调制谱和与之对应的鉴频曲线的特性成为提高光学陀螺系统检测灵敏度的关键。为了研究光学陀螺的调制和鉴频谱线特性, 优化陀螺性能, 设计并搭建了实验测试系统, 光纤环形谐振腔采用分光比为50∶50、直径17 cm的保偏光纤, 总长2.2 m。使用直流高压放大器扫描窄线宽激光器(线宽小于1 kHz)的压电转化模块,扫描频率和电压分别选取20 Hz和1 V, 使用模拟比例积分电路进行锁频并反馈给激光器的压电转化模块, 使激光器的输出频率跟踪谐振腔实时变化。研究分析了光纤环型谐振腔在两种情况下所对应的透射谱和鉴频曲线: 第一种情况为调制电压分别为2 V和4 V, 对应调制频率从100 kHz到4 MHz变化;第二种情况为当调制频率为900 kHz, 调制电压从2 V到10 V变化。通过实验, 得到了不同调制参数下光学陀螺谱线的谐振深度、半高全宽、线性带宽、动态范围、品质因数、标度因数以及对应的锁频精度七种物理量的详细变化情况, 并进一步得到了静态测试条件下三种陀螺的最佳调制频率及与之所匹配的调制电压。为进一步研究激光调制对光纤环型谐振腔光谱的影响提供指导。

为了获得较大的尖锐度, 提升微环传感器的灵敏度, 提出利用眼型谐振腔结构在下路端输出的非对称Fano谐振光谱, 眼型谐振腔由一个外环和内环构成, 外环与总线波导耦合, 内环与外环耦合.利用传输矩阵法对下路端输出光谱进行了数值计算, 在不同剩余电场比例系数下, 发现非对称Fano谐振峰的尖锐度随电场剩余比例系数的增大而增大;改变外环与总线波导间的场强耦合系数和内环与外环之间的场强耦合系数, 其尖锐度的最大值随外环和内环场强耦合系数变化缓慢增大, 尖锐度最大值处谐振点传输系数值在不同电场剩余比例系数和内外环场强耦合系数下稳定在－6 dB附近.因此利用眼型谐振腔结构下路端的Fano谐振峰, 可获得对耦合系数不敏感的尖锐度和谐振点传输系数, 降低器件对耦合区加工准确度的要求.

根据ABCD传输矩阵理论，对激光二极管侧泵的Nd∶YAG/KTP腔内倍频固体激光器Z型谐振腔进行了理论分析，采用Matlab对腔参数进行了理论计算。通过理论计算，选择适当腔参数进行了实验研究，当重复频率为9 kHz，输入电功率302.5 W时，获得了17.27 W绿光输出，输出不稳定性小于0.9%，电光转化效率为5.7%，光束质量因子M2x=3.351, M2y=3.759，发散角为0.68 mrad。

报道了绿光平均功率达138 W的声光调Q内腔倍频全固态Nd∶YAG绿光激光器。为了进一步提高绿光激光器的输出功率以及压窄脉宽,通过倍频晶体相位匹配角随温度变化的分析以及腔型的研究,设计并优化了U型谐振腔。实验中采用两个聚光腔,每个聚光腔由35个20 W的高功率激光二极管(LD)侧面抽运Nd∶YAG棒,利用Ⅱ类相位匹配KTP晶体腔内倍频,实现了高平均功率内腔倍频激光器的稳定运转。在两个聚光腔的激光二极管抽运电流分别为18.5 A,20.5 A时,获得了重复频率为10 kHz,脉冲宽度优于49 ns,输出功率为138 W的高功率、高重复频率、窄脉宽绿光(532 nm)输出,光-光转换效率为14.1%,不稳定度为±2.8%。