提出并实现了一种基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）增敏空芯微瓶谐振腔（PS-HCMR）的高灵敏温度传感器。采用提拉镀膜法在高Q值（~7.83×10⁷）PS-HCMR表面均匀涂敷一层PDMS薄膜以实现热敏功能化，基于PS-HCMR回音壁模共振谱的热敏感性以及PDMS的高热光效应和热膨胀效应，实现了对温度信号的高灵敏度感知与测量。实验结果表明：当膜层厚度为150 μm时，温度灵敏度可达0.127 nm·℃^-1，相比于纯SiO₂ HCMR提高了32倍。所提出的PS-HCMR的温度传感器具有灵敏度高、制备简单、结构紧凑等优势，在工业化控制、电力系统、环境监测等领域中具有良好的应用前景。

提出了一种通过改变二氧化钒的相变状态，实现太赫兹波在透射、反射之间灵活切换且多频点多波束可调的全空间太赫兹编码超表面。仿真结果表明：当二氧化钒处于绝缘态时，在频率f₁=0.6 THz的左旋圆极化波（LCP）垂直入射下，设计的编码超表面可以视为3-bit Pancharatnam-Berry（PB）几何相位编码超表面，产生透射的拓扑荷数为1的涡旋波；当二氧化钒处于金属态时，设计的编码超表面可以视为双频点独立可调的1-bit各向异性反射型编码超表面。频率f₂=0.5 THz的正交线极化波（x与y极化波）垂直入射时，该编码超表面可以产生两种不同形式的对称波束；频率f₃=0.85 THz的正交线极化波垂直入射时，可以实现雷达散射缩减和对称波束。这对设计多功能的太赫兹波束调控器件有一定的借鉴意义。

依据Pancharatnam-Berry（PB）相位原理提出了一种可切换频段的太赫兹编码超表面，其顶层是金属-二氧化钒（VO₂）复合结构层，中间是聚酰亚胺介质层，底部为纯金属反射层。编码超表面单元按不同的编码序列排列构成的编码超表面，可以产生多种太赫兹波束形式，并且随着VO₂的相变，可以在不改变原波束形式的情况下实现从单频段到双频段的切换功能。通过设计不同的编码序列，令编码超表面分别产生了涡旋波和散射波，对于垂直入射的右旋圆极化波（左旋圆极化波类似）：当VO₂处于绝缘态时，在频段1.17~1.37 THz处可以产生与编码序列所对应的波束形式；当VO₂相变为金属态时，在0.87~0.92 THz和1.4~1.6 THz两个不同频段处分别获得与VO₂处于绝缘态时相同的波束形式，进一步拓宽波束产生的频段。所提出的编码超表面利用了VO₂的相变特性增加了太赫兹工作的频段，为实现频段可切换的太赫兹编码超表面提供了思路，在太赫兹波束调控中的调频方面有一定参考意义。

随着光纤通信技术的不断发展，基于轨道角动量（OAM）模式传输的空分复用技术引起了人们的广泛关注。本文提出了一种反谐振光纤（ARF），其结构主要分为三部分：内层高折射率紫水晶玻璃管作为环芯，其有效增大了纤芯与包层的折射率差，有利于OAM模式的稳定传输；中间层二氧化硅（SiO₂）玻璃管起到调节色散的作用；外层负曲率管处于反谐振状态，进一步增强了对环芯光子能量的限制。该光纤可在1.5~1.7 μm波段内稳定传输130个OAM模式。基于矢量有限元法（FEM）对ARF进行建模仿真与分析，结果表明，最大有效折射率差为6.08×10^-3，最小色散变化率仅为0.43 ps·nm^-1·km^-1，限制损耗（CL）维持在10^-14~10^-8dB/m量级之间且最高模式纯度达到99.26%，有效模场面积最大值为187.38 μm²，非线性系数最小值为0.87 W^-1·km^-1，数值孔径（NA）均大于0.064。此外，还分析了光纤制作误差对其性能的影响。本文所设计的支持OAM模式传输的ARF在长距离光纤通信、高速信息传输等领域具有广泛的应用前景。

基于伴随优化设计算法逆向设计了一种高集成度硅基分模器。通过优化设计得到横电模TE₀和TE₁双模分模器的尺寸仅为5.5 μm×4 μm，其可在不改变模阶数的情况下实现模式高效分离。理论结果显示：当输入TE₀模式时，中心波长处的插入损耗和串扰分别为0.14 dB和-23.8 dB；当输入TE₁模式时，插入损耗和串扰分别为0.48 dB和-22.45 dB；工作带宽覆盖150 nm时，TE₀和TE₁模式的插入损耗分别低于0.44 dB和1.16 dB。基于全矢量三维有限时域差分法分析了±15 nm制备容差，两种模式的插入损耗低于0.79 dB，串扰低于-18.37 dB。所提出的紧凑型硅基分模器可应用于片上模分复用系统，为大容量片上光通信和光互联提供可行器件。

提出并研究了基于光反射式耦合探针（ORCP）的高灵敏曲率和振动双参量传感器。ORCP通过光纤熔融拉锥、耦合结合垂直切割方法制备而成，尺寸为mm级别。将弯曲或振动信号施加于ORCP悬臂耦合区域，改变干涉超模的模场分布以及折射率，引起反射光谱波长或强度偏移，实现对曲率和振动两种物理量的高灵敏度测试。其中，曲率灵敏度高达11.97 nm/m^-1，响应范围为0~10.49 m^-1，线性度大于0.98。振动灵敏度为0.72 mV/V@80 kHz，超宽带振动频率响应范围为185 Hz~20 MHz，具有高保真度以及高线性度，信噪比达到~53.56 dB。此外，该传感器可实现阻尼振动信号的检测以及声音识别。所提基于ORCP曲率和振动传感器具有灵敏度高、响应范围宽、线性度好、稳定性高、保真度高等优势，探针尺寸为mm级别，结构紧凑，支撑其在油田、煤矿等受限空间与恶劣环境领域中的潜在应用，有望实现基础设施突发事件潜在威胁的预测以及微小裂缝的检测。

创新性地提出了一种基于高Q值轴向渐变型空芯微腔的高灵敏流速传感器，实现了微压状态下微腔回音壁模式共振光场对流体的直接检测。首先，利用流体动力学和有限元算法理论分析了轴向渐变型空芯微腔的流速和光场特性。其次，通过熔融拉锥和气压控制法制备了高Q值（Q>10⁷）轴向渐变型空芯微腔，利用五维高精度位移平台实现微腔与微纳光纤的高精度、低损耗耦合。实验测试并研究了不同尺寸、不同耦合位置时微腔回音壁模式共振光谱的流速传感特性，获得的最大流速灵敏度达0.27 pm/（μL/min），流速分辨率为1.43 μL/min。该传感器具有较高的重复性和实时性，在高灵敏度流体检测、水质检测等领域具有潜在应用价值。

基于三明治结构和绝热耦合器，设计了一种分光比可设计的偏振无关光功分器，对波长为1550 nm的光信号实现所需分光比的功率分配。通过调节三明治结构中间层材料SiN_x的折射率，使同一波长下横电（TE）和横磁（TM）偏振模的分光比相等，实现偏振无关，通过改变绝热耦合器波导间隙的不对称性，获得可设计的分光比。运用三维有限时域差分方法，对器件进行建模仿真，最终结果表明：所设计的器件耦合长度仅为7 μm，可设计分光比的最大范围为0.50~0.95，同时支持TE和TM偏振模，插入损耗均低于0.31 dB，分光比容差在±0.01内的带宽可达100 nm，在未来光子集成光路系统中具有潜在的应用价值。

本文设计了一种编码相位梯度超表面，用于实现太赫兹频段的雷达散射截面（RCS）缩减。依据Pancharatnam-Berry（PB）几何相位原理在超表面单元中引入相位梯度，设计出1 bit编码的两个元素“0”和“1”，使得两者的反射相位差接近180°。通过遗传算法得到编码相位梯度超表面中编码元素的最佳排列，实现了太赫兹波宽带RCS缩减。对编码相位梯度超表面进行建模分析，结果表明，在0.87~1.725 THz的宽频段内，设计的1 bit编码相位梯度超表面能实现大于10 dB的RCS缩减，最大缩减值达到31.26 dB。此外，分析了x和y极化波的入射角度变化对编码相位梯度超表面性能的影响，在0°~30°范围内，其性能稳定。以上结果表明，该类超表面在雷达隐身等方面具有潜在的应用价值。

设计了一种基于SiN_x填充的定向耦合器（DC）型偏振无关解复用器，用于分离1310 nm和1550 nm两个波长的光信号。采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）方法调节DC波导间隙内填充的SiN_x材料的折射率，使同一波长下横电（TE）偏振模和横磁（TM）偏振模的耦合长度相等，实现器件的偏振无关功能。通过优化波导间隙，调整两个波长光信号所对应的耦合长度比，选择合适的值可使其分别从两个端口输出，实现波长分离功能。运用三维有限时域差分方法进行建模仿真，对器件进行参数优化和性能分析。结果表明：所提出的解复用器的耦合区长度仅为22.8 μm，插入损耗和串扰（CT）分别低至0.05 dB和-21.58 dB，CT小于-10 dB的带宽可达79 nm，且总体容差性良好。所设计的器件在未来的集成光路系统中具有潜在的应用价值。