随着光通信产业和光互联技术的高速发展，具有高调制速率且易集成的小尺寸电光调制器件研究越来越重要。提出了一种以硅绝缘体（SOI）材料为基底的光子晶体纳米梁腔（PCNC）反射壁下载型电光调制器。信号光经过主线波导后首先被锥形波导耦合进一维光子晶体纳米梁腔中，然后进入下载波导并输出。优化主线波导与下载波导中反射圆孔的位置与个数，可以提高器件的整体透射率。纳米梁腔采用圆孔形渐变孔径，使得光束更好地被束缚在腔内。同时，在纳米梁腔两侧引入掺杂以形成PN结，施加较低偏压以改变纳米梁腔的谐振波长，从而实现工作波长光信号的“通”“断”调制。运用三维时域有限差分（3D‐FDTD）法对调制器的光学特性和电学性能进行仿真分析。结果表明，该电光调制器可以实现波长为1550.01 nm的光信号调制，调制电压仅为1.2 V，插入损耗为0.2 dB，消光比为24 dB，面积仅为54 μm²，调制速率为8.7 GHz，调制带宽为122 GHz，调制速率下的能耗仅为4.17 pJ/bit。所提出的电光调制器结构紧凑，性能优异，有望应用于高速大容量光通信系统和集成硅光子技术等领域。

光频扫描干涉(FSI)绝对测距技术具有精度高、灵敏度高等优点,受到了大型装备制造领域的广泛关注。为获得更高的测距精度,FSI系统中往往需要通过构建光纤辅助干涉仪以实现对光频变化的精密监测。然而,受环境因素以及色散效应的影响,光纤辅助干涉仪的光程难以在测量过程中维持稳定,导致测量精度严重下降。针对这一问题,提出了一种基于光谱标定的FSI绝对测距方法,采用氰化氢(HCN)气体的吸收光谱特征为FSI系统辅助干涉仪光程的在位快速标定提供稳定、精确的光频参考。提出了一种色散失配误差的快速补偿方法以消除光纤辅助干涉仪引入的色散失配误差对测量结果的影响。为验证上述方法的有效性,在20 m的距离上与商用干涉仪进行精度对比实验。实验结果表明,在测量范围内该系统的最大测距偏差小于50 μm,测量重复性优于±4 μm。

在考虑折射率色散效应基础上, 以加权平均反射率作为评价函数, 通过智能优化算法对空间硅太阳电池减反射膜进行优化设计, 得到了最佳的膜厚参数, 并与不考虑色散下设计的减反射膜进行了比较。对MgF2/TiO2, SiO2/ TiO2双层减反射膜, 与不考虑色散情形相比, 考虑色散下优化后的最小加权平均反射率分别减小了36.6%和37.6%; 对具有厚度为15 nm的SiO2钝化层的硅太阳电池的MgF2/TiO2, SiO2/ TiO2减反射膜重新优化设计, 与不考虑色散情形相比, 考虑色散下优化后的最小加权平均反射率分别减小了43.9%和33.7%; 对具有不同厚度钝化层的空间硅太阳电池, 在考虑色散下进行了减反射膜的优化设计。结果发现, 随着钝化层厚度的增加, 所得减反射膜的最小加权平均反射率也随之增大, 减反射效果越来越弱。最后, 在考虑与未考虑色散情形下, 将钝化层膜厚也作为反演参量后重新设计。结果表明: 在色散情形下所设计的减反射膜更佳, 对于MgF2/TiO2/SiO2(钝化层)膜系, 最佳膜厚参量为d1(MgF2)=97.6 nm, d2(TiO2)=40.2 nm, d3(SiO2)=4.9 nm; 对于SiO2/TiO2/ SiO2(钝化层), 最佳膜厚参量为d1(SiO2)=85.1 nm, d2(TiO2)=43.4 nm, d3(SiO2)=1.8 nm。

针对光纤信道特性变化引起频率远距离传输的稳定度损失问题进行了研究。综合光纤热膨胀、折射率分布和色散效应特性随环境温度变化引入的不稳定性，建立了链路时延模型。通过25 km单模光纤1550 nm光信号的传输实验对该模型进行了验证。实验结果表明，当光纤温度与环境温度同步变化且其他环境因素对传输稳定性影响较小时，该模型计算得出的理论时延变化与实验结果保持一致。对该模型进行了分析讨论，确定了模型参数随温度和波长变化情况，并得出了各特性引入时延变化的量级，当折射率变化引起的相对时延变化为10.22 ns时，光纤热膨胀和色散效应引入的相对时延变化分别为0.7741 ns和-0.5983 ps。

运用分步傅里叶变换法对适用于超短艾里脉冲的高阶耦合非线性薛定谔方程进行了求解，利用Matlab软件对超短艾里脉冲在单模光纤中传输时相互作用的演化过程进行了数值模拟。结果表明，负三阶色散效应可加快波包的渗透速度，超短脉冲可传输更远距离；正三阶色散效应可减慢超短脉冲的传输，当三阶色散系数足够大时脉冲前沿处的振荡转移到后沿处。自陡峭效应通过孤子分裂的形式使超短脉冲产生时域位移，内拉曼效应导致脉冲在波长较长一侧产生拉曼自频移，且超短脉冲的能量由前沿处转移到后沿处。自陡峭效应和内拉曼效应的共同作用导致超短脉冲产生时域位移且脉冲前沿处的能量会转移到后沿处。三阶色散效应、自陡峭效应、内拉曼效应三者同时存在时会显著影响超短艾里脉冲相互作用的自弯曲特性和自加速特性。

基于硅的等离子色散效应, 构建了SOI基光波导可调光衰减器(VOA)仿真模型, 对SOI基亚微米脊形波导结构的模式特性、VOA器件的掺杂区间距、掺杂深度及浓度对VOA特性的影响进行了系统的模拟分析, 优化设计出了小尺寸、低损耗的VOA器件, 仿真结果表明: 该器件在2.1V电压下即可获得30dB衰减量, 功耗仅为14mW。

针对高频电光调制器的应用需求，提出了一种基于绝缘体上硅微环谐振腔的PIN型电光调制器.利用散射矩阵法描述了微环谐振腔谐振特性机理，结合等离子体色散效应中载流子浓度对硅有效折射率变化的影响，系统分析了微环谐振腔电光调制器的理论模型.在此基础上，利用Rsoft仿真软件对脊型波导截面光场分布进行了仿真分析，得到了光场局域性能较优的脊型纳米波导微环谐振腔设计；结合Sentaurus TCAD仿真软件对不同掺杂浓度下的PIN型二极管性能进行了仿真计算，理论得出了Q值仅为5×103时频移量达58.74 GHz的微环谐振腔最优电光调制器结构，为电光调制器的深入研究提供了理论参考.

直接从异向介质中包含饱和非线性、自陡峭和二阶非线性色散效应的非线性扩展传输方程出发，采用线性稳定性分析法，导出了调制不稳定性的色散关系、不稳定条件、无量纲的临界扰动频率和增益谱。计算和讨论了异向介质正折射区无量纲的增益谱随归一化角频率和入射功率密度的变化关系。结果表明，在异向介质正折射区，随归一化角频率和入射功率密度的不同，增益谱将会出现扰动频率大于零、扰动频率大于某个非零临界值、扰动频率大于零而小于某个非零临界值3种形式。在归一化角频率较小时，调制不稳定性可能出现阈值入射功率密度；且在较小的入射功率密度时，调制不稳定性只能出现在大于某个临界频率时。

设计和分析了一种可调硅基混合表面等离子体相位调制器。表面等离子体的引入打破了衍射极限的限制，使光场局域在一个纳米尺寸范围。该调制器的实现采用了两种原理：硅材料的等离子体色散效应以及聚合物的电光效应。由于器件结构的电容和寄生电阻较小，RC响应时间为3.77 ps,调制带宽大约100 GHz。当外加2.5 V的驱动电压时，该调制器的功耗为0.9 mW(相当于9 fJ/bit)。光相位调制器在光通信和光互联中都有重要应用。

讨论了采用小信号分析法研究脉冲波在色散、非线性光纤中的传输时, 放大的自发辐射(ASE)噪声作为功率调制项加入脉冲波的传输方程后所产生的效应。ASE噪声不仅被互相位调制不稳定增益所放大, 还受二阶色散成分的影响。其传输函数为cos12β2dzω2, 这一函数不能通过色散补偿来消除, 会削弱ASE噪声的影响。鉴于此, ASE噪声可以通过合适的选择放大器间的距离和信号波长来消除, 从而放大器间的距离也可以相应地增加约20km。