设计了一种由一个槽型腔和两个波导耦合构建的金属-介质-金属 (MDM) 滤波器，并利用时域有限差分法对该结构进行了仿真研究，分析了主要结构参数对滤波器传输特性的影响。研究发现：纵向位移L_d对传输特性有重要影响, 会导致新的谐振峰出现; 在一定范围内, 槽腔宽度W_c 的增加使得透射峰增加并且更均匀地分布在600～1500 nm范围内。通过参数优化最终设计了分布于550、730、920、1330 nm波段窗口附近的多通道滤波器，该设计透射峰窄、品质因子良好，且结构简单、易于集成、制作方便，能够很好地运用在波分复用系统及光通信中。

基于色散傅里叶变换技术研究了反常色散腔内传统孤子和正常色散腔内耗散孤子建立时的孤子动力学过程。为探究脉冲在光放大器中如何随放大功率演变, 实验和模拟研究了这两类孤子经放大器放大后的动态变化。结果表明, 这两类孤子的光谱在建立时会经历不同的振荡过程, 传统孤子光谱会由能量有剧烈振荡的调制拍频状态过渡至稳定, 耗散孤子光谱则会由无序调制状态平稳展宽至稳定。在放大器中, 随着放大器泵浦功率的上升, 传统孤子光谱中心能量将被转移而展宽, 耗散孤子光谱则在保持谱宽不变的情况下在边沿出现尖峰。这些锁模光纤激光器和光放大器中的动态孤子非线性现象在超快激光及其放大系统中有着潜在的应用价值。

以三边三层多边形网络结构为出发点，建立互耦合半导体激光器的多边形网络结构模型，首先分析和研究了三边三层多边形网络结构中激光器的混沌同步特性。进而将三边三层多边形网络结构拓展到六边三层多边形网络结构甚至更为复杂的多边形网络结构，并以第一层的激光器为顶点激光器进行结构优化，研究了其结构中异层激光器之间的混沌同步。结果表明以三边三层多边形网络结构为基础，当增加多边形网络结构中边数，形成六边三层多边形网络结构甚至更为复杂的多边形网络结构时，除顶点激光器外的其他激光器仍能实现同层和异层混沌同步。

物理量子位之间的受限连通性是含噪中型量子计算设备面临的重要约束之一。量子线路映射方法通过插入量子交换 (SWAP) 门对量子线路进行变换，使得其中的每一个量子位交互操作均满足物理设备施加的受限连通约束。在噪声环境下，减少插入的SWAP门数对于提升量子计算成功率有重要意义。以最小化SWAP门数为目标, 结合随机搜索技术，提出了一种基于多迭代随机寻优模型的启发式量子线路映射优化方法。实验结果表明，该方法可以通过迭代大幅减少量子线路映射过程所需插入的量子门数，并有效降低结果物理线路对初始映射的依赖程度。

基于偏振分束器和半波片线性光学元件, 把在偏振自由度中出现的比特翻转和相位翻转错误转移到空间自由度中, 从而实现针对极化低纠缠GHZ态的确定性纠缠纯化。利用线性光学和超纠缠的方法, 该确定性纠缠纯化方案实施过程中无需知晓待纯化的低纠缠GHZ态的任何参数, 无需将偏振自由度中相位翻转错误转化成比特翻转再进行纯化, 也无需引入非线性效应, 仅需一个纯化步骤, 即可确定性地纠正在偏振混合态中出现的比特翻转和相位翻转错误, 极大地增强了该方案的实验可行性。

随着量子密钥分发 (QKD) 系统的深入研究与应用, 随机数的质量和产生速率面临着更大的挑战。为了满足随机数在QKD系统以及对于密钥安全性要求较高的场景下的使用, 提出一种基于真空涨落产生真随机数的实验方案。相比于传统方案使用的2 × 2偏振分束器 (BS), 该方案采用单模1 × 2的BS来实现光路的传输, 不仅节省了装置成本, 同时还得到了较高的随机数产生速率。在9.68 dBm光强的作用下, 得到量子噪声与经典噪声的信噪比为 11.92 dB。对通过12 bit的模数转换器采集到的数据进行分析, 结果显示经典噪声和真空散粒噪声均符合高斯分布, 通过计算得到最小熵为9.92, 原始数据经过安全性可被信息论证明的托普利茨 (Toeplitz) 后处理, 最终实现7.6 Gbit/s的量子随机数产生, 并且通过了Nist随机数标准测试, 验证了方案的可行性。

基于光学量子行走, 设计了一个能够实现远程光子偏振态和空间态交换的方案, 使得光子的低质量偏振纠缠与高质量空间纠缠发生互换, 最终使远程通信双方获得最大偏振纠缠态。也就是说, 利用光子在空间自由度上的远程纠缠资源来辅助, 可提高光子在偏振自由度上的远程纠缠。所有的后选择结果都是成功的, 因此这里的态交换是确定性的。该方案不仅适用于Werner态, 还适用于任意未知的远程光子偏振态, 因此该方案还具有普适性。方案中的半波片和光束移位器都是成熟的光学器件, 所以该方案简单易行, 为远程偏振纠缠操控提供了另一种备选方案。

为深入认识微观粒子的波粒二象性, 探索波态和粒子态之间的转变并制备多路径波态和粒子态的共存状态, 提出了通过引入量子控制实现量子行走中波态和粒子态之间的连续调控的理论方案, 并分别计算了量子行走的位置分布及方差随着辅助比特系数的变化情况。计算结果表明量子调控使得行走者不仅可以处于粒子和波的混合态, 还能处于相干叠加态。波态和粒子态之间的连续调控通过相干和混合方式的位置方差展示，, 并且给出了混合态和相干态两种调控方式的差异。量子行走为深入研究微观粒子的波粒二象性提供了一个实用的平台。

金刚石具有高热导率、宽光谱透过范围、大拉曼增益系数和大拉曼频移等优点，已成为拓展波长范围、获得高功率高光束质量新波长的重要拉曼介质。利用第一性原理对金刚石晶格参数、能带结构、态密度、声子谱等进行了计算，系统分析了结构特征、频谱、能带间隙及电子分布特性。在此基础上，考虑了金刚石的电子运动态以及电场方向对金刚石能带间隙的影响，发现金刚石在<1 0 0>晶向最易受电场影响，在<1 1 1>晶向最稳定。给出了金刚石晶体的全部本征振动模式和相应频率，分析结果表明泵浦光沿着<1 1 0>晶向入射、并沿着<1 1 1>晶向偏振时拉曼增益最大。同时讨论了光谱区域内多声子吸收机理，为金刚石拉曼激光效率提升以及波长拓展提供了理论依据。