粒子群优化算法具有良好的全局寻优能力，但也存在容易陷入局部极值、后期收敛速度慢、收敛精度低等问题。为此，首先优化了传统粒子群算法，将其简化并引入随机扰动，赋予粒子跳出局部极值的能力，提高算法的全局寻优性能。然后结合贪心算法并引入梯度下降法作为算法自动切换的判据，从而构造一种针对光子器件逆向设计的混合算法。相较于传统粒子群算法，该混合算法具有更优的全局寻优能力，并且提高了收敛速度和收敛精度，具备更高的设计效率。利用该混合算法逆向设计了一种1∶1分光器，在120 nm带宽内，输出端插入损耗介于0.125 dB ~0.197 dB，并具有可制造的鲁棒性。

为了进一步降低系统成本，提高传输性能，提出了一种上、下行传输链路都采用幅度调制实现光载波重用的新方法。介绍了该方法的原理，采用Optisystem软件验证了其可行性。仿真结果表明：当下行传输数据“0”码幅值为1.4 V，光分束器的分光比为5∶5，调制器的消光比为5.2 dB时，系统的性能最优。

光功率分配器(OPS)是光子集成电路的基本元件之一,广泛应用于多种领域。功率分配比(PSR)可调的OPS可提高光子集成电路的灵活性,简化光子集成电路系统。提出了一种硅基PSR大范围可调的OPS集成芯片方案,通过将对称2×2多模干涉仪、波导光栅和狭缝结构等硅基器件结合在一起,并改变输入光信号的波长和微型热光调制器两端加载的电压,实现了大范围可调的PSR。实验结果表明,本方案得到的两种OPS结构可分别在6.72 nm和5.56 nm波长范围内实现0.51~36.91和0.88~230.46的PSR变化;在50 ℃的温度变化下,可实现8.58~29.75和5.01~425.43的PSR变化。且该OPS具有尺寸小、质量轻、灵活性高等优势,可广泛应用于光开关、信道划分、功率分配等通信和信号处理领域。

基于具有强非局域效应的金属-电介质多层膜结构提出了三种偏振分光器.当多层膜结构的平均介电常数为零时，横电偏振电磁波对应的等频率曲线为一很小的圆，而横磁偏振电磁波对应的等频率曲线则为两支抛物线，这是由表面等离激元诱导的非局域效应引起的.利用该多层膜结构在不同偏振电磁波下等频率曲线表现出巨大差异这一特性，提出了三种偏振分光器，其中包含厚度远小于波长的超薄偏振分光器.这些结果有望在偏振选择吸收体以及集成光子器件中有潜在应用.

设计了二维多位相光栅分光器的位相结构, 并根据周期性位相结构推导出位相光栅的二维分光公式, 使用模拟退火优化算法对二维8×16四位相光栅分光器的位相结构进行了优化设计, 得到了二维分光效率为70.03%、不均匀度仅为4.6×10-4的位相光栅。将优化计算得到的位相分布结果进行拆分, 制作了光刻版, 利用光刻版套刻制作了四位相光栅分光器样品, 并搭建光路对样品的分光性能进行了测试, 结果表明, 多位相结构能显著提高光栅的分束效率和均匀性。

介绍了一种工作于1355~1555 nm的新型多通道短波红外光谱组件, 并以理论和实验相结合的方式定量研究了入射角度对光谱组件各通道中心波长的影响.实验结果表明, 在0~10°斜入射条件下光谱组件各通道中心波长呈现不同程度的短波方向偏移现象, 偏移程度与入射角度呈正相关.分别绘制出理论和实验中心波长偏移曲线, 实验发现在入射角为5°和10°时中心波长平均偏移幅度约为5.7 nm和18.67 nm.此外, 参照实验得出的角度偏移曲线对两次不同入射角度条件下的光谱进行插值整合, 成功地将光谱组件分辨率从7.5 nm提高到3 nm; 在此实验基础上提出了通过改变入射角度发展一种多通道角度调谐光谱组件, 进而利用此方法提高光谱组件的测试分辨率.该结论对后续设计光谱组件入射光学系统和提高光谱组件测试分辨率具有一定指导意义.

提出一种用于激光三维成像的均匀光照明系统, 通过仿真实验验证了系统的有效性。光纤脉冲激光器发射窄脉冲红外激光光束经过光纤分路器后, 出射 64路能量相同的激光光束, 每一路激光光束从光纤阵列出射, 出射阵列置于发射光学系统焦点前后, 形成点阵照明, 被目标物反射的激光光束经接收光学系统接收后, 成像于APD面阵探测器之上, 像元和点光源一一对应。解决了传统照明系统存在的光能分布不均匀和激光能量利用率低的问题。

提出并成功设计了基于自准直马赫-曾德尔干涉仪(SMZI)的空气孔硅光子晶体偏振无关3 dB分光器。介绍了采用偏振透射谱匹配的方法, SMZI可以实现偏振无关分束的基础理论。通过连续改变SMZI两臂的光程差, 基于匹配两个偏振的透射谱, 成功实现了在归一化频率下将TE偏振和TM偏振的入射自准直光束进行1∶1分光。最后, 利用时域有限差分数值模拟软件计算出来的TE偏振瞬时磁场分布图和TM偏振瞬时电场分布图验证了自准直光束的分光情况。结果显示: 如果将工作波长定在1 550 nm, 该偏振无关3 dB分光器大小仅为16.7 μm×16.7 μm。由于具有尺寸微小、结构简单并使用单一硅材料等特性, 该分光器有望应用于集成光路中。

由于零折射率介质对于自由空间来说具有零相移和阻抗匹配的特性，因而可以用来控制电磁辐射模式。设计了新型的准直和分光器件结构,该器件建立在近零折射率材料基础上。该结构能实现将散射光转化成准直光束及分光的功能,分光束数、光束宽度和光束方向可以精确控制。仿真结果表明设计的结构具有完美的性能。

针对相控阵天线中基于光纤的微波光子移相器原理进行研究，并在此基础上设计了新型方案，通过引入可调分光器和保偏光纤来精确控制相移，降低了移相器的复杂性和相干干涉损耗，增强了移相器的可控性。研究了分光系数和频率对信号相位和幅度的影响，实现了超过140°的移相，并可通过功率放大器来补偿信号幅度损失。