随着光谱检测的重要性与日俱增，对高性能光谱仪的研究显得尤为重要和紧迫。提出一种基于平面光波导的二维光谱色散系统，它集合了平面波导微型化和光栅高色散的优点，能够将光谱在二维平面上展开。通过仿真发现，所提系统能够实现光谱在二维方向上展宽，带宽远远大于基于虚像相位阵列（VIPA）的二维色散系统。此外，所提系统的体积较小，更易于集成。

全息波导耦合元件是增强现实显示系统的关键光学元件,光束垂直入射至全息波导板中通过入耦合元件改变光束传播方向,在波导板中形成波导现象传输至出耦合元件处,通过出耦合元件再次改变传输方向从全息波导板出射至人眼。当入耦合元件与出耦合元件均为透射式或反射式耦合元件时,两次改变光束传播方向的角度值相等。根据全息波导的成像原理,结合k矢量圆理论与全息光学记录原理,设计了全息波导入耦合元件与全息波导出耦合元件的对称型周期结构。利用MATLAB软件模拟了全息波导耦合元件记录时的干涉光强模型,实验结果与所设计的耦合元件周期结构数据吻合;利用COMSOL软件模拟了全息波导耦合元件对光束传输角度的改变过程,实验结果与理论改变光束传播方向的角度值一致。实验证明了两个全息波导耦合元件以互为对称的结构排布在全息波导光学系统中,能够满足全息波导光学系统对光束传播方向的要求。

为了提高采用有限元分析平面光波导热应力的精度和效率, 提出了一种改进平面应变模型。通过将材料的热膨胀系数正交各向异性化, 材料垂直于波导传播方向的热膨胀系数为真实的热膨胀系数, 但沿波导传播方向的热膨胀系数经过适当的变换可满足变形协调和适应平面应变模型, 采用改进的平面应变模型, 计算了平面光波导的热应力。计算结果表明, 与广义平面应变模型相比, 用改进的平面应变模型得到的应力的最大误差只有0.4%, 而计算时间缩短为广义平面应变模型的12.6%, 与平面应变模型相比, 改进平面应变模型的计算时间相等, 而计算精度大幅提高。

为实现头戴显示器(HMD)的轻小型化，设计了一种新型的半透膜阵列平板波导式HMD光学系统。利用两个互相垂直放置的半透膜阵列波导实现了目镜出瞳的扩展，使得小出瞳目镜即可满足HMD使用需求，在缩小目镜体积的同时减轻了系统重量。通过对半透膜阵列平板波导结构的理论分析和光学系统建模，讨论了系统成像质量和出瞳辐照度分布规律。该系统总重约36 g，视场为15°×20°，出瞳7 mm×12 mm，畸变小于0.13%，点斑均方根半径小于3.75 μm，波像差均方根小于0.045λ，各视场光学调制传递函数在40 lp/mm时大于0.58。结果表明，半透膜阵列平板波导装置能够有效扩展目镜出瞳，该系统能够满足HMD的使用要求。

通过优化氮氧化硅薄膜的制备，获得均匀平整、掺锗浓度高的氮氧化硅薄膜。在优化光波导耦合器设计、载氢、紫外曝光等过程的基础上，利用 KrF 准分子激光，在掺锗氮氧化硅平面光波导中制备出了单模条形波导以及波导型耦合器和分束器。紫外光照射后重掺锗（锗掺杂原子数分数约为20%）平面光波导芯区的折射率最大增加约1.03倍，形成的条形波导传输损耗为0.28~0.32 dB/cm。实验表明紫外光曝光强度与掺锗氮氧化硅玻璃折射率的改变量是非线性的，折射率的变化可调整载氢压强和时间、紫外照射的光强度、材料掺锗浓度等参数来控制。

采用新型聚合物材料Norland紫外固化胶(NOA)制备了聚合物M-Z型热光开关器件。对NOA薄膜材料的光学性质进行了表征，采用感应耦合等离子体(ICP)方法制备出形貌良好的波导器件。测得在1 550 nm波长下，长22 cm的直波导插入损耗为83 dB。在电极上施加直流信号，测得热光开关的消光比为11 dB，驱动功率为85 mW。引入直流偏置网络，获得了器件的开关特性曲线，测得开关器件的上升时间为1085 ms，下降时间为4895 μs。实验结果表明:NOA材料在热光开关及其它聚合物光波导集成器件的制备中具有很大的应用潜力。

采用无水溶胶-凝胶合成方法，以二苯基二羟基硅烷(Diphenylsilanediol，DPSD)和γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(γ-glycidoxypropyl-trimethoxysilane，GPTS)为先驱体，制备出有机-无机杂化光波导材料，并在石英玻璃基片上旋涂制得平面光波导薄膜。用Abbe 折射仪测试薄膜的折射率，用紫外-可见光-近红外分光光度计测试了薄膜的光吸收性质，用Fourier 红外光谱仪和Raman 光谱仪测试了薄膜的红外振动吸收光谱和Raman 散射光谱并讨论了材料结构，并用棱镜耦合法测试平面光波导在632.8 nm 波长下的光传输损耗。结果表明：控制DPSD 的加入可以调节薄膜的折射率(1.461 ~ 1.481)；薄膜在可见光和近红外区域的光透过率在90%以上；平面光波导的光传输损耗约为0.26 dB/cm。

基于有限元理论对阵列光纤和波导芯片粘接情况进行了建模与仿真，分析了在温度变化下不同粘接区域厚度的热应力和微位移的产生和分布,结果表明粘接界面的边缘区域对温度变化最敏感.根据光弹效应定性分析了粘接区域的应力双折射，并利用光束传播法计算了由此微位移所导致的光功率损耗，结果表明若以附加损耗小于0.15 dB的标准考察，则必须要求粘胶厚度的理论值在16 μm以内.总结了温度变化和在相同条件下不同粘胶厚度对平面光波导封装性能的影响规律.

设计了一种基于遗传算法的集成光子器件自动对准方法.该算法克服了对准搜索中的早熟现象,改善了简单遗传算法搜索后期收敛速度慢的缺陷.仿真实验表明，在平面光波导与单模光纤自动对准过程中，该改进的遗传算法平均检测207个空间点时达到了0.01 dB的对准功率损耗.

研究了退火和二次离子交换对Er^{3+/Yb3+共掺的磷酸盐玻璃平面光波导传输特性的影响.在退火过程中,由于热效应和波导层Ag+离子的浓度差使得Ag+离子重新分布;随着退火时间的延长和温度的升高,光波导模式数目逐渐增加,波导层深度加深,且波导表面折射率与玻璃基质折射率差减小,退火扩散深度与退火时间的平方根成正比.电子探针结果显示在二次离子交换后形成了掩埋式的光波导,Ag+离子浓度接近二次方分布,而掩埋式的光波导有助于降低光波导的传输损耗.}