通过设计基于金刚石微槽结构的复合热沉,利用不同材料的热导率差异改变热流传导方向,以优化垂直腔面发射半导体激光器（VCSEL）面阵由于温度分布不均匀导致的中心热量堆积的问题,从而改善激光器面阵整体的输出功率,提高可靠性。基于有限元分析法建立三维热电耦合模型,研究了VCSEL面阵单元排布方式对激光器热串扰效应的影响,同时还研究分析了金刚石复合热沉中微槽形状和位置的变化对半导体激光器内部温度的影响,设计最优结构对激光器的出光性能做进一步优化。采用金刚石复合热沉后的垂直腔面发射激光器面阵,与传统金刚石热沉的封装结构相比,激光器发光单元的温度差值降低了29%,为大面积半导体激光器面阵的输出功率优化提供了新思路。

提出了一种由对称的类H型谐振腔和独立枝节组成的表面等离子体金属‐绝缘体‐金属（MIM）波导结构。利用有限元分析法研究了该结构的Fano共振及其光学传感特性。结果表明，该结构可实现Fano共振，最大折射率灵敏度和品质因数分别为1078.33 nm/RIU和1259.2。同时，研究了结构几何参数对Fano共振的影响，并进一步实现了Fano共振线型和波长的独立调节。所提出的等离子体MIM波导结构在集成光子器件和纳米光学传感领域具有潜在的应用前景。

用栅区仅为1 mm、间隔仅为20 mm的超短光纤光栅串，借助激光焊接工艺制作出长度约为40 mm，直径约为20 mm的基于弹性膜片增敏的带温补结构的光纤光栅压力传感器，用于海洋深度探测。在0.6 MPa测量范围内，传感器的理论压力灵敏度为-1.218 nm/MPa，利用有限元分析法仿真得到的压力灵敏度为-1.364 nm/MPa，通过温度及压力测试实验消除温度对测压光纤光栅的影响后得到传感器实际平均压力灵敏度达-1.728 nm/MPa，升降压曲线的线性度达99.9%。与激光密封尾纤方式相比，采用环氧胶密封尾纤不必考虑瞬时高温对光纤造成的损伤，且更容易保持对光纤所施加的预应力。结合仿真分析发现双光纤光栅温度响应趋势存在差异是由结构设计的缺陷所致，后续可对此进行改进。在传感器的制作过程中增设了温度及压力老化步骤，可有效提高传感器升降压曲线的线性度及重合度。尾纤抖动会对传感器稳定性造成影响，建议使用切趾光纤光栅或设置缓冲区的方法解决。环氧胶固化时流动导致光纤光栅有效长度减小以及预应力增加使光纤光栅压力灵敏度提高，是实测传感器压力灵敏度偏高的主要原因。

为满足红外探测系统无热化、高质量成像的需求,在非球面硫系玻璃基底制备3.7~4.8 μm波段增透膜。根据试验要求选取黏结层材料,提高基板与薄膜之间的附着力;利用有限元分析法通过多物理场仿真软件,将温度场与热应力场相结合建立三维模型,分析非球面薄膜的应力分布情况。根据模拟结果对沉积工艺进行优化,采用温度梯度烘烤法降低硫系玻璃基底的热应力,并采用真空原位退火法释放沉积薄膜的应力,解决非球面镜的脱膜问题。所制备的薄膜可以通过MIL-C-48497A标准中的附着力、湿度、中度摩擦等测试,并在3.7~4.8 μm波段的平均透过率为99.12%,满足红外探测系统的指标要求。

本文设计了一种适用于长距离光纤通信的新型光子晶体光纤。该光纤包层内椭圆形和圆形空气孔呈交错排列，纤芯两侧为两个小椭圆空气孔。利用有限元分析方法对所设计光纤的传输特性进行分析并对其结构进行了优化，确定了最佳结构。结果表明，波长为1550 nm时，此新型光子晶体光纤在最佳结构下可提供高达3.51×10-2的高双折射和低至1.5×10-9 dB/m的限制性损耗。与现存的引入椭圆形空气孔的光子晶体光纤相比，本文中的光子晶体光纤的双折射系数有较大提高，限制性损耗系数降低了5个数量级。另外，本文还详细研究了光子晶体光纤的色散随光子晶体光纤结构的变化以及其布里渊增益特性，并分析了其可制造性。基于其高双折射和低限制性损耗特性，此种光纤可应用于长距离光纤通信系统。

为了降低气动载荷对机载光学窗口的影响，并探究光学镜片排布方式对光学窗口气动特性的影响，设计了三种不同光学镜片排布方式的光学窗口，并对其模型进行了动力学数值模拟分析。研究了不同光学镜片排布方式对光学窗口气动特性的影响，得到了空气阻力最小、气动特性最优的模型。根据0°攻角工况下所受风阻的大小，对其结构力学特性进行了模拟分析。结果表明，该光学窗口模型在风阻载荷作用下不会因冲击而损坏，满足刚度和强度要求。

基于对流扩散效应, 利用有限元分析法建立了一种光学渐变折射率微腔流体透镜。分析了微腔中芯、包层液体在对流扩散过程达到稳定后的浓度分布情况, 即所谓的混合流体折射率分布。研究了对流扩散模型结构, 分别在一般情况下(芯层流体折射率大于包层流体折射率)和中心凹陷情况下(芯层流体折射率小于包层流体折射率), 沿流体流动方向的不同截面对流扩散后折射率分布情况。

设计了一种基于Fano共振的等离子体折射率纳米传感器,传感器由带存根谐振腔的直波导耦合开口方环谐振器组成。使用有限元分析法研究了该传感器结构的传输特性,并分析了结构参数对系统传感特性的影响。计算结果表明该结构可以激发Fano共振,且共振峰的位置和线型可以通过改变关键参数进行调节。通过调整结构参数,该结构的灵敏度值可以达到1125.7 nm/RIU,品质因数为30.01。该结构在光学集成回路方面具有潜在的应用前景,尤其是在纳米生物传感器方面。

针对超辐射发光二极管(Superluminescent Diode, SLD)光源输出光功率稳定性的需求, 用有限元分析方法分析了SLD光源组件内部导体组的分布电容矩阵及电场耦合情况; 通过电场耦合模型研究发现温控电路带来的干扰通过分布电容耦合到恒流回路中, 影响输出光功率的稳定性; 将制冷器接地可减小分布电容, 改进恒温电路的驱动方式可减小交流分量的干扰, 从而减小电场耦合对输出光功率的影响。