为了提高光学器件的传输性能, 推动微型光学器件及大规模集成光路的发展, 提出了一种新型2-D石墨烯等离子体光子晶体结构。通过周期性排列蜂窝状的石墨烯盘, 调整一个周期内两个石墨烯圆盘的直径, 打开狄拉克点; 基于有限元法, 运用COMSOL仿真光场传播、计算光子带隙, 打破时间反演对称性, 实现能带拓扑效应。结果表明, 该设计的晶格常数等均处于纳米量级, 相较于自由空间波长减小近30倍, 具有小型化、高集成化等优势; 该结构可在15.3THz~15.8THz频段范围进行动态调制。此研究为设计具有鲁棒性的纳米量级光子器件提供了参考, 有望在波导频率的调控、光开关等领域拓展应用。

为了改善传统光纤灵敏度低、损耗高和非线性效应不易控制的问题，设计一种新型高双折射、低损耗和高非线性的类椭圆纤芯光子晶体光纤(PCF)结构。基于全矢量有限元法，通过COMSOL分析研究了光纤端面的空气孔直径和位置对双折射、限制损耗、模场特性和非线性等特性的影响。仿真结果表明：所设计的PCF结构在波长为1.550 μm处的双折射率达1.918×10-3，x和y极化偏振方向的限制损耗分别为Lcx=1.6×10-3 dB/km和Lcy=8.0×10-4 dB/km，非线性系数达到9.4 km-1W-1，且满足单模传输，实现了高质量、高精度的光信号传输与传感。

随着计算机深度学习技术的不断发展,卷积神经网络(Convolutional Neural Network,CNN)作为代表算法,为高光谱图像分类提供了新的解决方案。但是,因为数据量迅速膨胀,复杂模型的分类精度和速度并不令人满意。因此提出了一种面向高光谱图像分类的轻量级融合CNN算法3D-2D-1D CNN。该算法融合不同维度的CNN,联合空间信息和光谱信息进行高光谱遥感图像分类。利用Indian Pines、Pavia University、Salinas Scene和WHU-Hi-Han Chuan数据集对该算法进行测试,结果显示,总体分类精度分别达到99.65%、99.95%、100%和99.85%;与3D CNN算法和3D-2D CNN算法相比,训练时间和测试时间都明显降低。研究表明,所提算法能够在保证高分类精度的前提下有效地提高数据的分析速度。所提算法综合利用三种CNN对高光谱空-谱联合信息的抽象表达能力,有效促进了CNN在高光谱遥感图像分类领域中的应用。

为改善光纤通信系统带宽容量在实际工程应用中面临的局限性，基于空分复用技术提出一种可分别传输基模与高阶模的光子晶体光纤纤芯结构，利用虚轴光束传播法得到不同结构参数下相应模式的有效折射率曲线，通过匹配两种模式的有效折射率曲线，设计了一种具有非对称双芯结构的光子晶体光纤模式转换器。光波长为1550 nm时，该器件实现了基模（LP₀₁模）与高阶模（LP₀₂模）之间的模式转换，在较宽的归一化频率范围内模式耦合效率可达91.98%，耦合长度约178.5 μm，器件直径最大仅47.6 μm。该结构设计灵活可控，可满足未来大容量通信系统的需求。

为了实现光纤传感器压力增敏的效果, 设计了一种具有高双折射的光子晶体光纤结构。采用有限元法计算光子晶体光纤在不同应力作用下的有效折射率,基于光子晶体光纤的压敏特性, 分析光子晶体光纤的模式,并选择该结构里的一个空气孔, 填充具有特定折射率的液体材料, 构成新型压力传感器。该结构的压力灵敏度由COMSOL软件的仿真得出。结果表明,经填充液体后, 偏振相位灵敏度从72rad/(MPa·m)提升至128rad/(MPa·m), 显著提高了77.7%。该研究对增强传感器的力学性能有帮助。

为了改善高功率光纤激光器的非线性效应, 提出并设计了一种新型的无源、单模、低损耗、大模场的光子晶体光纤结构。利用时域有限差分法并结合完美匹配层边界条件, 分析了光子晶体光纤有效模场面积的影响因素, 得到光子晶体光纤性能随波长及几何结构的变化规律, 从而得到实现更大模场面积的结构参量。结果表明, 保证单模传输的情况下, 在1.064μm波长处, 优化设计的大模场光子晶体光纤有效模场面积可达3118.4μm2, 对应的非线性系数可低至5.68×10-5 m-1·W-1, 限制损耗可降低到4.55×10-7 dB·m-1。该光纤具备低损耗、低非线性和大模场面积等特性, 在实现光子晶体光纤激光器高功率、高光束品质激光输出方面具有重要应用。

传统光纤式压力传感装置由于结构及材料的限制, 其灵敏度难以进一步提升。基于马赫-曾德尔干涉传感原理, 设计一种掺杂型双芯光子晶体光纤(DC-PCF)横向压力传感结构。根据不同掺杂材料和光纤截面结构参数对压敏特性的影响, 分析压力灵敏度与光纤结构关系, 综合模场面积, 获得高压力灵敏度DC-PCF结构。仿真结果表明: 当入射传输波长为1550 nm、双芯光子晶体长度为6 cm时, 横向压力下X偏振压力灵敏度可达37.56 nm/MPa, Y偏振压力灵敏度可达35.27 nm/MPa。相对传统光子晶体横向压力传感器, 该传感结构的压力灵敏度提高了近60倍。

为了解决分布式反馈激光器的光发射次模块耦合封装中存在最大耦合效率局限的问题,采用楔形截顶光纤微透镜代替分立式透镜的直接耦合的方法, 得到斜面倾角0.6rad、耦合距离60μm、半宽度15μm的楔形截顶光纤端面模型。在此基础上与分立式和直接耦合进行对比, 讨论了纵向、横向和角度偏移误差。结果表明, 纵向耦合距离在-21.45μm~56.79μm, 角向耦合角度在-8.3°~8.5°, 耦合效率始终大于70%;结构整体容忍度较高, 耦合效率达84.40%。该研究可为下一代分布式反馈激光器的次发射模块耦合封装器件提供新的解决方案。

为了提高压力传感器的灵敏度, 利用光子晶体光纤理论及其高双折射特性和可灵活设计的结构特点, 设计了一种新型边孔高双折射光子晶体光纤压力传感结构。采用全矢量有限元法并结合COMSOL软件对传感结构的受力和模场分布进行仿真分析, 获得压力传感特性随几何结构和自由空间波长的变化关系, 通过优化设计得到最优结构参量, 进一步获得高压力灵敏度。结果表明, 在最优结构下, 自由空间波长为1.55μm、压力为200MPa时, 偏振相位灵敏度为166.2rad/(MPa·m), 所能施加的最大压力为720MPa, 相位模式双折射灵敏度保持在4.1×10-5MPa-1左右。该研究对提高压力传感器的灵敏度是有帮助的。