铌酸锂薄膜因其优异光学性能及容易与结构紧凑的光波导等器件相集成等诸多优势, 目前已经成为可调谐Fabry-Perot滤波器、电光调制器等器件领域向集成化和微小型化趋势发展的首选光学材料。由于光波导和光纤的尺寸差异而引起了严重的模场失配使得光纤与光波导耦合时存在着较大的插入损耗问题。 仿真分析了超高数值孔径光纤和脊形波导直接耦合时, 其光场模式分布、折射率、耦合效率和耦合损耗等关键性能的相互影响。结果表明当刻蚀深度和宽度分别为300 nm和0.8 μm时, 铌酸锂脊型波导与单模光纤(UHNA7)的耦合效率可达33.8%, 而耦合损耗为4.71 dB。仿真比较了上包层材料替换为二氧化硅和氮化硅材料时, 脊型波导和单模光纤的耦合效率显著增加到63.4%而耦合损耗被降低到 1.98 dB。

由于需要外部电源的接入, 传统芯片上的环形结构的物质波波导无法形成完全封闭的环形结构, 其产生的环形磁阱存在天然缺陷, 阻碍了对冷原子的有效操控。利用硅通孔(TSV)技术能够在垂直于原子芯片表面方向接入导线, 有望降低接入导线对环形磁阱的影响。本文通过有限元方法对基于 TSV技术的环形原子物质波波导进行仿真研究, 对导线加载电流时的磁场进行仿真分析, 并系统研究了 TSV横截面形状、通孔深度、通孔间隙等因素对环形导线所产生磁阱的影响。最终结合仿真结果, 设计一种在加工工艺上切实可行的基于 TSV结构的环形波导原子芯片。

为克服传统阵列波导光栅解调系统体积大、价格昂贵等问题，提出了以窄带光源为输入光源，采用边缘滤波和阵列波导光栅相结合的解调方案，实现对增敏封装后的光纤光栅温度传感器进行温度解调实验。以窄带光源作为输入，通过边缘滤波的方法使得温度传感器反射谱的中心波长偏移程度与解调光路输出光强的变化相对应，利用阵列波导光栅的波分复用实现多传感器同时测量，实现了多传感器多通道的分布式测量，实验结果表明：解调系统的波长解调范围为1 545.30 nm～1 560.50 nm，对35 ℃～42 ℃的温度范围进行检测，波长解调精度为±5.34 pm，温度测量误差可达±0.1 ℃。

提出一种具有高功率容量的直线阵列天线，该天线阵基于矩形波导缝隙馈电，馈电耦合结构采用新型的弧形耦合缝隙，利用小螺旋天线作为辐射单元，通过旋转螺旋线内导体来调整各个辐射单元相位，从而实现一维波束扫描。采用等效传输法进行理论设计，数值模拟结果表明，该长度为3200 mm的单元天线在中心频率8.40 GHz上可获得的增益为27.50 dB，主瓣轴比为0.51 dB。功率容量约90 MW，辐射效率为97.10%，反射低于-24 dB，波束扫描范围±38°。

采用光纤作为传输链路, 将光子晶体光纤作为系统的输出阵列, LiNbO3波导作为相位调制器, 构建了一种基于光纤光路的光波导光学相控阵。根据光学相控阵理论和LiNbO3波导的电光效应, 分析了系统的可行性, 并研究了这种新型结构下的光波导光学相控阵的输出衍射特性和光子晶体光纤阵列结构参数的关系。研究结果表明通过控制施加在LiNbO3波导上的电压可以改变出射光束的附加相位从而实现光束的偏转; 光子晶体光纤阵列上的纤芯数量、纤芯间距以及纤芯的排列方式等结构参量会对系统的输出光束的光强分布、半峰值全宽度(FWHM)和归一化的振幅分布产生影响。随着光子晶体光纤制作工艺的不断发展, 系统的光束扫描质量将会逐渐提高并且色散特性和传输特性将会获得改善, 为今后这种光学相控阵系统的设计提供了理论基础和技术依据。

为克服目前太赫兹扫描成像技术所用扫描天线存在的不足，设计了一种能够实现一维频率扫描的矩形波导窄边开斜缝天线。具体采用设计缝隙天线的等效电路法和泰勒线阵法估算得到缝距、缝长、缝宽、缝倾角和缝数等初始参数。然后在ANSOFT-HFSS软件中建模仿真并优化，最终得到适用于0.101～0.111 THz带宽的天线。仿真结果表明，天线能够在波导的延展方向上按照不同角度发射或接收带宽内不同频率的太赫兹波，扫描角度约为6.1°，各频率点主瓣增益较高、主副瓣电平相差较大。该天线具有结构紧凑、体积小、重量轻、成本低、扫描速度较快的优点，对于太赫兹扫描成像技术具有一定的应用价值。

由于光子回路中光子器件尺寸和光波长相当，所以衍射现象比较明显，据此可以实现类似于电路中的趋肤效应。根据光信号在介质中的传播方程和薛定谔方程的相似性，设计了一种多层柱状结构光波导，高频光信号沿着波导表层传播，其内部存在信号盲区。仿真计算表明：盲区随信号频率的增大而增大。盲区的边界通常位于多层介质的内分界面上。较高的折射率梯度和类似于引力势的折射率分布有利于形成信号盲区。该结果有助于隐身衣或新型光子回路的设计。

为解决正交场返波管太赫兹源慢波结构的设计问题，研究了开放式单排矩形梳齿慢波结构的色散及耦合阻抗特性并给出了设计思路及结果。利用单模近似法和数值计算得到了各几何参数对慢波结构性能的影响。结果表明：慢波周期长度可相对独立地优化耦合阻抗；设计慢波结构时可根据工作频率、加工工艺和电子枪性能确定其余三个几何参数，主要是对慢波周期长度进行调节。进一步的数值计算给出了梳齿间距在0.010~0.025 mm 范围内、工作频率在300~420 GHz 范围内的开放式矩形梳齿慢波结构的具体尺寸。利用粒子模拟软件对一个设计结果进行了仿真，得到的工作频率验证了冷腔分析的结果。

基于Zemax软件下的非序列模式(non-sequential mode)光线追迹法，分别模拟复合结构板条介质抽运端面和掺杂介质区工作端面上的光强度分布。由追迹结果可知，经过整形，在抽运面强度分布均匀的抽运光束经过非掺杂介质区传播到掺杂介质工作端面后光束分布均匀性大大降低。研究表明复合结构板条介质中非掺杂介质区影响了抽运光束，即抽运光在非掺杂介质区传播过程中发生全内反射，导致部分光束在实际工作端面的部分区域发生叠加，从而致使实际工作端面抽运光束分布不均匀。最后，依据平面波导匀化理论，从改变非掺杂介质区长度和入射光束发散角大小角度出发，提出改善抽运光束均匀性的思路，并进行了模拟验证。

介绍了采用准光方法激励圆波导产生旋转TE6 2模式的设计原理、测试方法和实验结果。该模式产生器由毫米波光学系统和开放同轴波导谐振腔系统组成:毫米波光学系统由角锥喇叭天线、双曲面反射镜、抛物面反射镜、修正抛物面反射镜等部件组成;开放同轴波导谐振腔系统由开放同轴波导谐振腔、圆波导、测试辐射喇叭天线组成。通过网络分析仪和毫米波近场自动测试系统测试表明:该模式产生器在频率为96.4 GHz附近产生的圆波导旋转TE6 2模式的纯度达到97%。