为了满足红外探测器件集成化和对红外宽光谱范围吸收的需求, 设计了一种工作在长波红外波段(8~14 μm)的超宽带、高吸收、极化不敏感的超材料吸收器。通过在金属-介质-金属三层异质的超材料吸收器结构的顶部金属周围镶嵌一层介质形成超表面, 以增加谐振强度和吸收带宽。在8~13.6 μm的带宽范围内, 该结构有超过90%的平均吸收率, 覆盖了大部分长波红外大气窗口波段, 对红外探测领域有着重要意义。研究结果表明: 镶嵌的金属-介质组成的介质波导模式和谐振腔模式的结合以及传播型表面等离激元模式的激发是形成宽带高吸收的主要原因, 并且谐振模式的谐振波长可以通过相关参数来进行调控。本文的研究结果为可调谐宽带长波红外吸收材料的设计提供参考, 该设计方法可推广到中波红外波段、甚至长波红外或其它波段。

运用矢量有限元方法对脊位于窄边的四种加载介质双脊波导的主模截止波长和单模带宽特性进行了计算和分析, 四种波导分别为脊位于窄边的加载介质双脊矩形波导、加载介质双脊梯形波导、加载介质双脊V形波导以及加载介质双脊椭圆形波导。计算结果表明, 脊位于窄边的四种加载介质双脊波导的两种传输特性总体相似, 和脊位于宽边相比, 脊位于窄边的主模归一化截止波长和单模带宽总体小很多, 且脊位于宽边时的特性变化趋势比脊位于窄边时剧烈。这些计算结果将有助于微波器件及微波系统的设计。

倒梯形单脊波导具有衰减常数小、特性阻抗低、功率容量大的特性，故其适用于微波传输。研究发现填充介质倒梯形脊波导有利于实现波导小型化。采用有限元法结合Matlab编程，研究了不同对称度下的填充非对称倒梯形单脊波导的截止波长、单模带宽、衰减常数、功率容量和特性阻抗。研究结果表明: 对称度较小时，填充位置在短臂侧时所得的截止波长最长，单模带宽最宽，功率容量最大，阻抗特性最小。研究结果将为填充非对称倒梯形单脊波导的应用提供理论依据。

设计了一种介质加载石墨烯等离子体波导，研究了不同结构尺寸的波导模场分布及传输特性。仿真结果表明，当石墨烯的化学势为0.7 eV、波导脊宽度和脊高度均为1000 nm时，介质加载石墨烯等离子体波导的模式宽度达到最小值1.55 μm，传播长度达到43.47 mm。该介质加载石墨烯等离子体波导不仅可以满足波导设计的要求，也为纳米器件的长距离传输提供了可能。

提出了一种双层半圆介质加载表面等离子激元波导新结构，并利用有限元方法对该新型波导结构在工作波长1550 nm下的传输特性进行了数值仿真和优化分析，得到了波导传播特性的主要参数。结果表明：在波导总面积保持不变的情形下，当双层半圆介质的折射率分别取为n1=1.4和n2=1.473时，波导的传播特性最佳；在此折射率参数基础上，波导的内外介质半径比r1/r2为0.5时，波导的传播长度最大、衰减系数最小并且模式面积和品质因数的取值都非常理想，可以获得最优的波导传输效果。

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。

建立了槽区内加载介质的格栅慢波结构模型. 通过Borgnis函数法和场匹配法得到冷态和热态色散方程. 并推导了耦合阻抗的表达式.在稀疏电子注的假设下, 求得增益近似解的表达式.通过数值方法,求解并分析了加载介质对色散关系、基波耦合阻抗、基波相速和基波增益的影响.并指出分别在槽内加载介质和格栅对侧加载介质对高频特性的不同影响趋势.

将矢量有限元方法应用到脊位于窄边的四种加载介质双脊波导的场结构特性计算中，这其中包括脊位于窄边的加载介质双脊矩形波导、脊位于窄边的加载介质双脊V 形波导、脊位于窄边的加载介质双脊椭圆形波导以及脊位于窄边的加载介质双脊梯形波导。多种模式的场结构特性随脊尺寸的变化而变化，其图形结果将有助于微波器件的设计。

为了研究填充介质对脊波导截止特性的影响，文章采用FDTD(时域有限差分)法计算了填充介质梯形双脊波导在TE（横电波）模式下的截止特性随几何尺寸的变化，并给出了关系曲线。结果表明，脊间距越小，填充介质的相对介电常数越大，截止波长越长，单模带宽越窄。研究结果丰富了现存填充介质波导数据，有助于填充介质波导的设计和工程应用。