基于光学Tamm态(OTS)的局域场增强特性和石墨烯的电控特性,提出一种含石墨烯的金属-分布式布拉格反射镜-金属(M-DBR-M)复合结构。考虑石墨烯层对介质界面连续性的影响,基于修正的传输矩阵法建立完善的理论模型,并研究结构参数以及驱动电压对OTS特性的影响。结果表明,随着驱动电压的增大,两个OTS的本征波长均发生蓝移,当驱动电压大于石墨烯的突变电压时,本征波长发生蓝移且趋于稳定,说明可以通过电控石墨烯来实现OTS的本征波长在一定范围内动态可调;增大DBR周期数,两个OTS的本征波长分别发生红移和蓝移,说明吸收率对周期数的波动具有鲁棒性;入射端的金属层厚度在25~35 nm之间,能够实现完美吸收;出射端的金属层厚度则在70 nm处有吸收率的极大值。

当金属-分布式Bragg反射镜-金属（M1-DBR-M2）结构中的DBR周期数比较大时, M1-DBR-M2中的两光学Tamm态（OTS）发生弱耦合。 通过研究M1-DBR-M2结构中OTS弱耦合情况下的反射光谱和OTS本征波长电场分布, 揭示了弱耦合情况下的OTS和光隧穿效应。 研究结果表明： 在弱耦合情况下, 金属薄膜M1的厚度影响了OTS的本征波长, 而金属薄膜M2的厚度对OTS的本征波长没影响。 虽然弱耦合情况下只能激发M1-DBR交界面处的OTS1, 但电场局域现象并不是仅仅发生在M1-DBR交界面处, 光可以穿过DBR到达并被局域在DBR-M2交界面处, 存在光的隧穿效应。 光隧穿效应的强弱与两OTS的本征波长失谐量大小有关, 本征波长失谐量越小, 光隧穿效应越强。 两OTS的本征波长失谐量的大小, 也影响了光在M1-DBR-M2结构中局域的强弱, 本征波长失谐量越小, 光的局域现象越强, 反射光谱中凹峰处的反射率越小。

金属-石墨烯光子晶体-金属复合结构可实现多带吸收。为了解该复合结构的吸收特性, 采用传输矩阵法, 研究了可见光波段结构参量对其多带吸收特性的影响。结果表明, 各吸收带的中心波长与石墨烯化学势的大小无关; 吸收带的个数与石墨烯光子晶体周期单元个数及电介质层的光学厚度有关; 周期单元数越大, 介质层光学厚度越大, 吸收带的个数就越多; 两金属层的厚度对吸收特性的影响存在差异, 要使光吸收率尽可能高, 衬底一侧的金属层要尽可能厚, 入射空间一侧的金属层的厚度则存在一个最优值; 垂直入射时合理选择相关参量, 各主要吸收峰可有90%以上的吸收率。此研究结果为研制基于石墨烯的多带光吸收器提供了参考。

利用传输矩阵理论和等效原理, 从能级的角度研究对称结构光子晶体表面光学Tamm态, 结果表明: 当光子晶体的排列周期无限大时, 入射介质与光子晶体间不满足阻抗匹配条件, 从而不出现表面光学Tamm态; 当光子晶体被截断成有限周期时, 其表面可支持表面光学Tamm态的存在, 且轴向传播时通带中出现TM和TE偏振的能级简并现象, 离轴传播时从通带边缘分离出来的非简并能级被局域于光子晶体表面而形成了表面光学Tamm态; 当光子晶体截断参数与最外层高折射率介质匹配时, 容易形成束缚性较强的表面光学Tamm态, 与最外层低折射率介质匹配时, 则难以实现表面光学Tamm态; 通过ATR全反射技术对光子晶体表面态进行激发可观察到被激发的耦合共振吸收现象。对称结构光子晶体表面光学Tamm态的特性可为光子晶体光波导和表面波传感器的研究和设计提供指导。

提出了一种基于光学tamm态(OTS)的石墨烯光开关方案。在该方案中，利用在金属-分布式布拉格反射镜界面处产生的OTS，以及石墨烯的电控特性，通过改变外加电压来改变石墨烯的折射率，使OTS的本征波长发生漂移，光的反射率由最低点上升至高反射区，从而实现光开关的通断控制。利用有限元法和时域有限差分法对提出的光开关进行了仿真研究。研究结果表明,当入射波长为846.5 nm时，可以实现光开关，其插入损耗为0.88 dB，消光比约为12.7 dB，响应时间约为1.36 ps。该光开关具有插入损耗低和响应时间快的优势，在未来的光通信系统和光信息处理系统中具有很好的应用前景。

利用光学Tamm态(OTS)在金属-分布式布拉格反射镜(DBR)界面处的局域场增强和石墨烯的电控特性，提出一种基于OTS的石墨烯光调制器。利用有限元法和时域有限差分法对提出的调制器进行仿真研究。研究结果表明：当入射波长为850.7 nm时，在金属-DBR界面处会产生OTS，入射光的反射率比较低；当外加驱动电压大于7.5 V时，OTS的本征波长会发生漂移，入射光的反射率增大，可以实现强度调制。调制器的最大调制深度可达0.96，消光比为14.45 dB，在不考虑电路RC时间常数影响的情况下，调制速率超过600 GHz。该结构石墨烯光调制器在一定波长范围内，可以实现调制深度不同的光调制，在未来的光通信系统和光信息处理系统中具有很好的应用前景。

为了研究银-光子晶体-银结构中两种偏振光Tamm态的吸收性质, 采用银介电常数的Drude-Lorentz色散模型和特征矩阵法, 研究了吸收率随入射角、随周期数以及随银层厚度的变化规律。结果表明, 在银-光子晶体-银结构中两种偏振光都会出现两个光学Tamm态(OTS), 即OTS1和OTS2。两种偏振光的OTS1和OTS2的吸收峰值随着入射角的增大而逐渐增大, 随着周期数的增大而缓慢增大, 随着银层厚度的增大而明显增大。这些结论丰富了对银-光子晶体-银结构中两种偏振光Tamm态的吸收特性的认识。

结合光子晶体的缺陷模式和表面模式特性，提出了一种含吸收介质的光子晶体法布里-珀罗异质结构。该结构由周期性光子晶体、待测样本和外部空气层共同组成，将待测样本直接作为表面缺陷腔。基于光学谐振原理和表面波理论，分析了所提结构的折射率传感机理。讨论了不同吸收介质对所提结构光谱特性的影响。将石墨烯作为吸收介质时，传感结构的品质因子(Q值)明显高于将硫化锌、氧化铝和金属银作为吸收介质的情况；将样本层作为表面缺陷腔，通过光学Tamm态谐振，可实现多次全反射衰荡，使谐振光信号和待测样本充分作用，从而提高了该结构的传感灵敏度。所提结构的Q值为2097.18，灵敏度为1017.98 nm/RIU。研究结果对实现待测物的高Q值和高灵敏度检测具有一定的理论参考价值。

为了获得光学Tamm态(OTS)的特性，建立了一种银-光子晶体-银结构，并利用银的Drude-Lorentz色散模型和特征矩阵法研究了该结构中OTS的波长特性和吸收特性。结果表明，在该结构中存在两个OTS，分别称为OTS1和OTS2。OTS1和OTS2的中心波长随入射角的增加向短波方向移动，OTS1和OTS2的中心波长间距随着入射角的增加而减小。OTS1和OTS2中心波长随银层厚度的增加向短波方向移动，OTS1和OTS2的波长宽度都随银层厚度的增加而减小。OTS1和OTS2都具有较大的吸收率，OTS1和OTS2的吸收率随银层厚度有着相似的变化规律。这些特性的获得加深了对银-光子晶体-银结构中光学Tamm 态特性的认识。

提出了基于光学Tamm态耦合的多通道表面等离激元吸收器。通过在金属-电介质-金属波导中引入光子晶体-金属异质结构设计了单向吸收器。对处于带隙范围内正向入射的电磁波,当满足阻抗匹配时产生光学Tamm态,吸收率高达0.988。表面等离激元波导内光子晶体/金属异质结构的非对称性导致单向阻抗匹配和吸收。当波导中引入多个光子晶体/金属异质结构时,由于多重光学Tamm态耦合产生多个劈裂的吸收峰。吸收峰的频率可以通过改变光学Tamm态之间的耦合强度来调节。所提出的多通道单向表面等离激元吸收器将在光学集成电路及太阳能电池等领域具有潜在的应用。