设计了一种基于二维光子晶体自准直效应和光子禁带特性的新型紧凑型偏振分束器，器件尺寸为9 μm×9 μm，利用光子晶体的自准直效应实现TE偏振光和TM偏振光在自准直结构中的自准直传播，基于光子禁带特性实现TE偏振和TM偏振的正交分离。对于插入的偏振分束结构的空气孔排数为5时，1 550 nm处的TE偏振光的透过率为95.4%，对应的偏振消光比为23 dB，TM偏振光的透过率为88.5%，对应的偏振消光比为37 dB。对于覆盖100 nm带宽的TE和TM偏振光，TE偏振消光比和TM偏振消光比分别高于18 dB和30 dB。与以往的偏振分束器相比，结构更简单，尺寸更小，偏振消光比更高，更好地满足现代光通信、光集成系统的需求。

光子晶体传感器在溶液检测方面具有巨大的应用潜力,设计一种光子晶体液体折射率传感器,通过在光子晶体中构造法布里珀罗腔(F-P腔)并利用光子晶体的自准直效应来实现折射率的探测。通过二维时域有限差分法(2D-FDTD)对电磁波在光子晶体F-P腔中的传播的仿真实验,最终获得了高线性度的输出光功率与液体折射率的对应关系,并可基于此特性实现液体折射率的检测。相较于其他的检测方法,光子晶体的应用使其具有体积小、测量范围广、易于与激光器件集成并且不受外界电磁环境影响等优点。

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。

提出了一种利用自准直效应基于TM模式二维光子晶体的1×5光分束器。该结构由两个环形谐振腔级联而成,每个环形谐振腔有4个可改变介质柱半径的分光镜。首先运用多光束干涉原理分析光分束器中各个端口的透射谱,按照设置的比例对8个分光镜进行合适的组合,自准直光束即可从5个出口出射,达到1×5分束器的效果;然后利用时域有限差分软件方法来对数值进行模拟,其结果和理论值吻合地较好。该结构尺寸较小,自由光谱范围大,在未来的高密度集成光路中会有较好的应用前景。

报道了基于圆柱型光子晶体自准直效应的低功耗Fabry-Perot干涉仪。该干涉仪是在二维光子晶体中引入两排线缺陷构成的。引入的线缺陷具有高反射率和低透射率。在自准直频率范围0.187c/a~0.201c/a,线缺陷的透射率介于20.77%~40.65%。利用时域有限差分方法对FPI的透射谱进行研究,结果表明对两排缺陷的间距d即使进行微小的扩大也会引起透射峰向低频移动,透射谱的自由光谱范围和透射峰的频率随着d的增大而变小,透射谱的半高宽会随着线缺陷的反射率的提高而逐渐变小。

设计了一种基于正方形晶格二维光子晶体自准直效应的1×3分束器。使用平面波展开法对正方形晶格椭圆介质柱光子晶体进行分析，计算出其等频线，讨论自准直光波频率和传播特性。逆时针旋转椭圆介质柱到一定角度，同样使用平面波展开法计算其等频线并分析光波传播特性。根据以上分析，基于自准直效应，使用不同偏转角度的椭圆介质柱光子晶体设计出1×3分束器。使用时域有限差分法对工作状态下光波在分束器中的传播特性进行分析，并给出了电场分布图，实现了1×3分束功能。此结构的分束器期望能推进光子晶体在光集成回路中的应用。

设计了基于自准直效应的硅光子晶体TE模式1×3和1×2光下路分束器。1×3光下路分束器由4个分束镜组成，而1×2下路分束器由3个分束镜和1个反射镜组成。利用多光束干涉原理推导出光下路分束器各个出口的透射谱理论公式。通过选择合适的分束镜，可以得到不同分束比例的光下路分束器。对于1×3光下路分束器，设计了1∶1∶1和1∶2∶3两种分束比例；对于1×2光下路分束器，设计了1∶1和1∶2两种分束比例。再利用时域有限差分软件数值模拟了透射谱，其结果与理论设计一致。当下路波长为1550 nm时，1×3和1×2两种光下路分束器的大小均约为10 μm ×10 μm，自由光谱区为36 nm，覆盖了整个光通信C波段。

针对二维光子晶体在光束调整和光束偏转中的应用,采用平面波展开法、二维有限时域差分法和完全匹配层吸收边界条件,从理论上研究了二维方形光子晶体结构中TM模式的自准直现象。通过分析光子晶体的能带结构和等频图,基于二维光子晶体的自准直效应和光子带隙,对光波在二维光子晶体中的传播特性进行了讨论。数值计算表明,通过在合适的方向引入不同的线缺陷,可以实现自准直光束的1×2和1×3分束以及光束偏转。最后讨论了透射光束和偏转光束的能量随线缺陷半径的变化关系。所设计的器件极大地扩展了光子晶体在高密度光学集成电路中的应用。