基于传输矩阵法(TMM)研究了可见光波与棱镜耦合的多层光学薄膜间的相互作用, 实现了一种由于共振隧穿导致的带通滤波器。计算得到了复合结构的透射谱线, 重点分析了棱镜间空气层厚度对滤波特性的影响。在横电(TE)波入射下, 通过优化计算得到目标颜色对应的几何参数。同反射模式下的颜色滤波器不同的是, 结构会透过一种特定的颜色并反射光谱的其余部分。优化后得到了红绿蓝(RGB)三色滤波器优化的结构参数,获得了100%高透射率的光谱输出。红色、绿色、蓝色对应的滤波器谐振波长分别为683 nm、517 nm 和 444 nm。

提出一种基于集成光波导沟槽耦合器的超紧凑折射率传感器。该结构包括入射波导、反射波导及透射波导,亚微米宽的沟槽位于入射波导与反射波导的交汇处。入射波导中的导波光在沟槽侧壁发生受抑全内反射,使得一部分光经消逝场耦合进入透射波导,另一部分光被反射进入反射波导。透射光强度取决于消逝场耦合效率,而后者依赖于沟槽填充物的折射率,这意味着这种集成光波导沟槽耦合结构可作为微纳传感器用于实时探测液体折射率或溶液浓度。以氮化铝脊型波导为例,对这种新型折射率传感器进行仿真设计和仿真验证,经过结构优化,其折射率灵敏度可达207.05 %/RIU。

为满足某些国家工程的发展需要, 比如说航天领域内, 液态燃料液位监测作为飞行指标考核的一个关键参数, 检测精度直接影响到各类飞行器的指标实现效率。基于塑料光纤弯曲损耗和受抑全内反原理, 设计了一种可实现单点离散与多点连续的液位传感系统。理论分析后, 使用实际器材验证理论分析, 阐述了操作原则、系统结构和技术优势, 分析了进行液位测量的可行性。根据理论分析的结果, 基于已有器材搭建了离散和连续式液位传感系统, 同时设计了一套实验装置并利用该装置对传感系统进行了验证实验。实验结果表明: 所提出的新型液位传感系统不仅可以实现液位的测量, 而且具有较好的测量一致性和易实现性。其中连续液位测量系统达到了测试量程450 mm, 测试灵敏度为0.808 3 μW/mm的液位测量。对工程应用领域的具有较好的参考意义。

The macro-bending induced optical fiber cladding modes frustrated total internal reflection effect is used to realize the liquid level probe with a simple structure of single macro-bend polymer optical fiber loop. The test results show that the extinction ratio reaches 1.06 dB. “First bath” phenomenon is not obvious (about 0.8%). The robustness of the sensor is better, and the ability of anti-pollution is stronger compared with the conventional sensors. The process of making this sensing probe is extremely easy, and the cost is very low.

针对基于腔内折射率调制效应的微环电光调制器高Q值和调制带宽相互制约的问题, 提出一种基于耦合调制方式的矩形环谐振腔电光调制器.器件由基于受抑全内反射原理的沟槽型光耦合器和基于全反射原理的90°弯曲波导构成.通过建立时域动态模型对器件进行仿真设计, 可得其调制相位小于0.2 π、静态调制深度大于0.96 (归一化最大值为1.0)、调制带宽大于100 GHz.该器件片占面积为 10 μm×15 μm, 高效紧凑, 满足高度集成、低能耗和高速调制等要求, 可向二维方向配置和扩展.该器件可应用于单片光子集成回路.

基于微环构成的滤波器，因其具有较大曲率半径以及窄带宽等缺陷，提出一种马赫-曾德尔结构结合矩形环谐振腔的高效紧凑光滤波器。器件结构均由基于受抑全内反射原理的沟槽型微纳光子耦合器和基于全内反射原理的90°弯曲波导构成。采用状态空间表示法和时域有限差分法对器件的品质因数、传输特性等参数进行了计算和仿真。状态空间表示法对比了不同耦合系数及损耗系数对滤波特性的影响；利用时域有限差分法仿真得到在反射系数接近穿透系数时，呈现出的通带和阻带带宽不等的非对称波长交错滤波效果，在反射系数远大于穿透系数时，滤波器品质因子约为3120，并获得在25 μm × 8 μm 面积下自由光谱范围高达50.6 nm 的特性。该器件提高了在单片光子集成回路中的集成度且具备二维方向布局配置及扩展的能力。

分析和阐释了POF光纤的包层模受抑全内反射(CMFTIR)效应及其传感机制.提出利用光纤宏弯导致模场畸变从而激发光纤包层模式的方法获得显著的CMFTIR效应并利用其实现液位传感.实验表明CMFTIR效应相对微弱,极易淹没于强背景噪声中,为此通过噪声分析提出利用宏弯耦合获得暗场信号以进一步提升信噪比.设计了双绞宏弯耦合型液位探头及其封装结构.实验结果表明,暗场耦合信号具有明显的信噪比优势,实现传感器液位区分度大于3.7 dB.相较于同类液位探头,该传感器鲁棒性好,制作更加简单且成本更为低廉.

高速光开关是实现光传输路径变换的关键器件之一. 对于目前马赫-曾德型光开关本身占据的尺寸较大或者在一维方向上尺度较长的缺点, 提出了一种利于高度集成的矩形马赫-曾德2×2光开关单元结构. 器件由基于受抑全内反射原理的沟槽型微纳分光/合光器和90°弯曲波导的L型参考/相移臂两者构成, 极大地减小了由此构成的马赫-曾德光开关器件的尺寸. 利用硅的热光效应, 举例设计了开关器件的L型相移臂上升50℃实现π相移时需要的总长度约为84 μm. 同时采用有限元法分析得到在NiCr金属电极加热器上施加电压3.5 V时, 可以使相移臂内的脊波导层上升温度约为50℃; 模拟了介质覆盖上包层不同SiO2厚度时的时间响应特性, 选用上包层SiO2厚度为0.5 μm时得到器件上升时间35 μs、下降时间48 μs的开关速度. 最后使用Rsoft FullWAVE软件模块时域有限差分法仿真验证了热光开关器件的开关功能. 设计的硅基矩形结构马赫-曾德2×2热光开关的平面尺寸为56×38 μm2. 器件具有高效紧凑的特点, 使其布局配置易于向二维方向扩展, 并潜在应用于硅基高密度光子集成回路及片上光互连系统.

针对原子自旋器件的碱金属气室镀膜层厚度的精确测量，提出了一种基于受抑全反射的膜层厚度测量方法。根据该方法搭建了膜厚测量系统，并进行了实验测试。分析了受抑全反射的基本理论和基于受抑全反射的膜厚测量原理，介绍了基于该方法的膜厚测量系统的构成及工作原理并分析了影响系统测量精度的主要因素和解决方案。通过分析和仿真激光器波长的波动、入射角变化以及折射率参数的不准确等对膜厚测量结果的影响评价了系统的性能。最后，利用该系统对镀膜样品进行了测量实验，并利用薄膜分析仪做了对比试验。实验结果表明: 该方法的测量结果存在一个2.6 nm左右的常值偏差，对其补偿后能够较为准确地对镀膜层厚度进行测量，测量精度接近1 nm，基本满足碱金属气室镀膜质量检测的需求，且具有较高的稳定性和可靠性。

现行的照明用具一般体积较大、不易随身携带且不具备图像放大能力，为了给广大学习者尤其是视力不佳者提供一种全新的学习照明装置，设计了一种便携式放大视读屏。它具有柔光照明和图像放大双重功能：该屏利用梯形波导板的受抑全内反射原理，将侧面导入的LED光束从上下表面导出，实现了均匀的柔光照明功能；同时利用模压在波导板下表面的菲涅耳透镜实现了可调的图像放大功能。根据上述设计原理，通过ZEMAX软件对该视读屏的工作效果进行了理论模拟和参数优化，并制作了一块120 mm×80 mm×4 mm的视读屏，结果表明照明光线均匀柔和、放大效果清晰一致，成功实现了柔光照明和图像放大双重功能。