基于有机共轭聚合物聚[2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基)-1,4-苯乙炔](MEH-PPV)的脊形波导,利用光子晶体特殊的光调制特性,模拟设计了一维边发射有机光子晶体激光器。利用光子晶体的带隙结构和带边效应构建了由光子晶体全反镜和透反镜形成的谐振腔,在谐振腔内的脊形波导上引入一维缺陷型光子晶体,利用光子晶体缺陷模特性抑制了多纵模竞争,并在此基础上分析了复合结构所导致的边界模效应,得出此类非金属微腔激光器腔长设计的经验公式。模拟结果表明该一维边发射有机光子晶体激光器可实现中心波长为588 nm、半峰全宽为0.131 nm的单纵模激光输出。

为设计性能优异的大调谐带宽的滤波器,在二维光子晶体结构中,利用波导与微型谐振器不同耦合结构设计了带有两类微型谐振腔的4种滤波器,借助于耦合模理论(CMT)定性分析了相位失谐因子、耦合因子比值改变对滤波器工作性能产生的影响。调节5×5微型谐振器的柱半径大小,用时域有限差分法(FDTD)方法研究了滤波器传输谱特性,结果表明:3种对称结构提取的各个峰值波长具有归一化传输率高(85.3%~99.9%)、通带宽度窄(1.8~5.6 nm)、提取峰值波长调谐范围宽(1308.0~1582.3 nm)的特性。与非对称结构滤波器相比较,对称结构滤波器的提取峰值波长具有更高的归一化传输率,其结构在光学信号提取接口、光传感、光互联网络设计上有潜在的利用价值。

基于有限时域差分(FDTD)算法优化一类宽带光学透射的金属网格透明电极。设计的Ag、Au 和Cu 网格阵列在可见光(Vis)波段的透射率约70%，近红外(NIR)波段的透射率约90%。为提高透明电极的效费比和工艺兼容性，选择Cu作为电极材料，并分析封装材料、Cu纳米带表面粗糙度和工艺误差对透射率的影响。结果表明采用高折射率封装材料和增加Cu纳米带的表面粗糙度可以分别增加NIR 和Vis波段的透射率，减小NIR 波段频带宽度；增加铜纳米带的误差宽度会降低Vis-NIR 波段透射特性和减小NIR 波段的频带宽度。在封装材料折射率不高于1.5，铜纳米带的表面均方根粗糙度不超过8 nm 和误差宽度不超过20 nm 时，优化的Cu网格阵列在Vis-NIR 波段有较好的透射特性，可作为透明电极应用到光电器件。

设计了基于微环谐振器的溶液浓度传感器, 提出了一种溶液浓度测量的新方法。介绍了全通微环谐振器(MRR)的结构及传输机制和MRR浓度传感器的工作原理。根据电磁场理论得到了狭缝波导的特征方程, 计算了MRR的共振波长, 并以乙二醇溶液为例, 利用有限时域差分法模拟了外界环境浓度变化时微环的功率谱。模拟结果表明:随着乙二醇溶液浓度增大, MRR的谐振波长与乙二醇溶液浓度的变化近似呈线性关系, 与理论计算结果一致;并对该传感器的灵敏度进行计算, 结果显示灵敏度可达490.2 nm/RIU。采用MRR测量液体浓度成本低、结构简单, 能够实现对环境介质的快速精确测量。所设计传感器还可用于测量固体、气体浓度和其它与浓度、折射率相关的参量。

通过研究波导两侧缺陷处的折射率对二维光子晶体波导透射光谱的影响，提出一种提高折射率传感器灵敏度的方案。计算结果表明光子透射带上边沿的偏移量与传感区折射率的大小存在一定关系，在相同的折射率变化量下通过改变波导两侧缺陷处圆孔的相关几何参数可极大提高光子透射带上边沿的偏移量，即提高折射率传感器的灵敏度。通过优化设计，传感器的灵敏度由折射率变化区间0.0~1.0 的55 nm/RIU(RIU 表示折射率单元)与1.1~2.0 的36 nm/RIU 分别提高到对应的405 nm/RIU 以及222 nm/RIU。

垂直耦合结构纳米微环谐振器是光子集成电路的重要组成单元。主要研究了与其实际制作相关的工艺失准问题。针对高折射率差波导材料垂直耦合结构纳米微环谐振器，先用耦合模理论解析方法研究了耦合系数与直波导和微环波导耦合层厚度d以及横向偏移量Δ之间的关系，为三维时域有限差分法（3D-FDTD）的精确数值计算确定了模拟范围。之后结合解析方法和3D-FDTD数值计算研究了Δ和d的制作工艺容差。研究发现，当d=30 nm，偏移量Δ在130~265 nm之间变化时，耦合系数始终保持在较高值，为垂直耦合结构纳米微环谐振器的工艺制造提供了很大容差，对其实际制作较有意义。

为了研究1维时变磁化等离子体光子晶体禁带的温度和密度特性，采用在等温近似的条件下，磁化等离子体的分段线形电流密度卷积时域有限差分算法研究了1维时变磁化等离子体光子晶体的禁带特性。以高斯脉冲为激励源，用算法公式得到的电磁波透射系数来讨论了等离子体上升时间、温度、等离子体层密度对其禁带特性的影响。结果表明，改变等离子体上升时间和等离子体层密度可以实现对禁带的控制。这一结果对设计磁化等离子体光子晶体器件有帮助。

用时域有限差分(Finite-Different Time-Domain, FDTD)的分段线形电流密度卷积(Piecewise Linear Current Density Recursive Convolution, PLCDRC)算法研究了含单一介质缺陷层的一维非磁化等离子体光子晶体的滤波特性。从频域角度分析得到微分高斯脉冲的透射系数，在等温近似的条件下，讨论了等离子体的弛豫时间、温度和频率为可调谐参数时的滤波特性。计算结果表明，改变等离子体弛豫时间和频率可以实现对滤波通道的调整，而改变等离子体温度不能实现对谐振频率的调节。

为了研究由两种不同的介质柱组合成的2维光子晶体的传输特性,对包层介质柱/基质光子晶体与空气柱/基质光子晶体组合的三角晶格光子晶体进行研究,采用时域有限差分法,对其进行模拟计算,得到多种情况下光子晶体的透射系数与入射光频率的关系曲线。结果表明,在这种组合结构的光子晶体中,可以得到从低频到高频的组合宽带隙,从而达到在更宽范围内控制电磁波传播的目的;包层介质柱外半径的变化对带隙的宽度影响较大;包层介质柱的内半径的大小、内柱和中间夹层的介电常数对带隙宽度没有影响,但是对带隙内的缺陷模有明显的影响。由此可以根据实际需要,通过调节此种光子晶体的结构参量制作极窄带通的滤波器和光开关等。

用FDTD方法计算了二维正方形复式晶胞光子晶体的光子特性.通过光子能带结构、光子态密度的分布以及沿ГX方向透射谱的计算,发现透射谱光子带隙的位置与能带结构符合得很好.光子态密度的分布也表明存在全带隙的光子频率范围,进一步研究给出这种结构光子晶体全带隙存在的物理起源.