文中采用有限时域差分(FDTD)法研究了ZnO随机介质与光子晶体波导相结合的微型激光器的辐射特性和频谱特性，用平面波展开法分析了光子晶体能带特性。数值研究结果表明：由于光与随机介质相互作用，使得光在该微型激光器中放大，损耗减小，存在较长滞留时间，同时随机介质局域光的能力变强，激光的阈值降低，而且含四方格子结构光子晶体的激光器具有良好的激光特性和调制作用。该新型器件的设计与研究将为研制可嵌入集成光子芯片的、低阈值的微型激光器提供理论基础。

提出了一种适用于湿度传感的表面等离子微环传感器。 该传感器纵向上采用表面等离子多层波导结构, 横向上采用U型微环结构, 以聚酰亚胺(polyimide, PI)为感湿材料。 根据传输矩阵法推导表面等离子微环传感器结构的传递函数, 外界环境的相对湿度变化引起聚酰亚胺的折射率变化, 从而多层波导结构的有效折射率发生改变, 导致传感器的输出光谱发生漂移。 重点分析讨论了多层波导结构的传输特性以及感湿部位折射率的变化对输出光谱的影响。 根据计算和仿真得出: 当U型波导的两个耦合点间的距离为微环周长的整数倍时, 传感器的输出光谱水平漂移量较大, 自由光谱范围(FSR)加倍, 达到128 nm, 当外界环境相对湿度从10%RH变化到100%RH时, 漂移量Δλm在0.005～0.038 μm之间变化, 相比于其他湿度传感器, 灵敏度提高了10～50倍, 高达0.0005 μm/%RH, 并且传输稳定。 结果表明: 设计的表面等离子微环传感器, 灵敏度较好, 性能稳定, 可以应用于湿度测量, 并且实现了在高灵敏度感湿的同时兼顾大范围的滤波选频, 为微型光学器件的制备提供了理论基础。

以碲玻璃为基质材料, 设计了八边形双芯光子晶体光纤.应用全矢量有限元法和模式耦合基本理论分析了八边形双芯光子晶体光纤中结构参数对耦合长度特性的影响.计算结果表明: 在波长1.55 μm处, 减小孔间距可明显减小耦合长度, 但只略微改变相对耦合长度;增大空气孔及椭圆率可略微增大耦合长度, 但可明显增大相对耦合长度.当相对耦合长度为1时, 设计的偏振分束器性能较理想.在此基础上, 通过调节结构参数, 设计了一种较短传输长度、高带宽、高消光比的偏振分束器, 当光纤长度为139 μm时, X、Y方向偏振光即可实现分离, 消光比达到最小值-53.46 dB, 且在波长1.49 μm-1.61 μm, 即带宽为120 nm范围内, 消光比小于-20 dB, 与同类型的高消光比和极短长度双芯偏振分束器相比, 其综合性能比较突出.

提出了一种基于串联双微环谐振器的新型聚酰亚胺(Polyimide, PI)湿度传感器, 采用传输矩阵法和耦合模的理论计算微环谐振器的传递函数, 并对比了传统单微环与串联不同半径的双微环的输出光谱特性。 外界湿度变化使得聚酰亚胺SOI波导吸收水汽后折射率发生变化, 从而引起微环输出光谱发生漂移, 通过探测光谱漂移量来测湿度值, 得到了串联双微环传感器的灵敏度和测量范围, 并且分析了感湿部位不同时谐振器输出光谱特性。 理论结果表明: 串联不同半径的微环谐振器的自由光谱范围(FSR)要比单微环有所提高, 而且串联双微环谐振器整体感湿比单个微环单独感湿的传感性能更优良, 可作为最佳的湿敏元件。 与传统的单微环传感器相比, 串联不同半径的微环结构可提高系统的测量范围和灵敏度, 半径为30和50 μm的串联微环谐振器的FSR可达到0.15 μm, 传感器测量湿度范围为10%RH～80%RH, 灵敏度可达到0.001 7 μm·(%RH)-1。 因此串联不同半径的双微环谐振器为制备成本低、 结构简单、 高灵敏度、 可集成的微型湿度传感器件提供一定理论基础。

为满足加速度传感器微型化、 低成本的需求, 提出了一种带有单微环谐振腔的悬臂梁式光学加速度传感器结构, 采用耦合模和传输矩阵理论求取了微环谐振器的传递函数, 利用检测同一波长处光强度变化的新测量方法实现了对加速度的探测, 从而得到了加速度传感器的灵敏度和探测极限, 深入研究了不同结构参数对系统灵敏度的影响, 数值仿真并分析了输出端口的光谱特性。 结果表明: 加速度传感器在外界加速度作用时, 悬臂梁在应力的作用下会发生弯曲, 使得固定在悬臂梁上的微环谐振器发生形变, 即微环谐振器的长度和折射率都发生了变化, 从而光在微环谐振器中的传输特性发生变化, 因此可以通过探测微环输出端光场强度的变化来测定加速度值; 悬臂梁的长度、 厚度以及微环谐振腔的固定位置都是影响加速度传感器性能的直接因素, 并且选择最佳的结构参数可以有效地提高系统灵敏度和精度。 经过数值仿真, 对于信噪比为30 dB系统, 波长在1.515 μm处, 悬臂梁的长度、 厚度分别为180和3 μm时, 系统的灵敏度可达到2.112 g-1, 探测极限为1.421 10－3 g, 因此在悬臂梁可承受的范围内, 选取长度较长的悬臂梁结构能够有效地改善系统的灵敏度和探测极限。 该结构为制备高灵敏度、 低成本、 易于加工的加速度传感器及可嵌入式微型光学器件提供理论基础。

提出了以聚酰亚胺(PI)为感湿材料的三耦合点单微环新型湿度传感器。外界湿度变化使得聚酰亚胺SOI微环谐振特性发生变化, 最终通过谐振波长的漂移量确定湿度值。讨论了不同部位感湿时系统的传感特性, 并且选择了最佳湿敏元件。数值模拟结果表明: 与传统的单微环传感器相比, 新型传感器具有较高灵敏度和测量范围, Through端口的自由频谱范围可提高3倍。三耦合点单微环谐振器整体结构可作为最佳湿敏元件, 该传感器在10%RH~80%RH相对湿度范围内, 灵敏度可达到0.98 nm/%RH, 该结构为制备高灵敏度可集成微型湿度传感器件提供了一定的理论依据。

分别以碲玻璃和SF6玻璃作为基质材料,设计制作了一种基于双折射效应的新型八边形晶格双芯光子晶体光纤偏振分束器。应用全矢量有限元法(FEM)分析了碲玻璃和SF6两种双芯光子晶体光纤中结构参数对双折射和相对耦合长度特性的影响, 数值模拟了碲玻璃和SF6两种偏振分束器的性能。结果表明: 在碲玻璃和SF6两种双芯光子晶体光纤中, 增大椭圆率可同时增加结构的双折射和相对耦合长度, 与SF6玻璃偏振分束器相比较, 碲玻璃偏振分束器具有更高的消光比和更大的带宽, 即在工作波长为1.55 μm处, 消光比达到最小值-53.46 dB, 且消光比小于-20 dB的带宽为120 nm。

针对传统非参数变换测度的局限性, 提出了一种基于局部纹理加权项的非参数Census 变换测度, 并使用半全局匹配法聚合代价的立体匹配算法。根据图像纹理度量的方向性, 通过增加局部纹理反差值计算匹配窗口内所有像素的灰度均值, 将其与反差值的加权和作为现匹配基元。使用半全局匹配法计算8 邻域方向的匹配代价, 以最小代价为匹配条件选取初始视差值。最后, 利用图像分割法统计各分割区域的视差直方图, 以直方图主峰所对应的视差值作为最终视差值。实验结果表明, 该算法获得的视差精度优于当前多数局部算法, 处理立体匹配中幅度失真的问题效果明显, 能够很好地适应于真实场景测量。

研究了不同尺度参数和粒子浓度下的ZnO随机介质相干背散射强度的分布规律, 采用时域有限差分法分析了不同浓度随机介质的光场能量空间分布, 预测了随机激光器阈值的高低。结果表明: 同一折射率的介质随着介质尺寸的增大, 相干背散射的带宽变窄, 局域化参量kl值相应增大, 使得局域化程度呈较大幅度减弱趋势; 并且随着介质浓度的增加, 相干背散射的带宽变宽, 局域化程度增强, 阈值降低。相干背散射有着光子局域化的先期特征, 现在已成为研究光子局域化出现与否的基本判断依据, 对研究光子局域化以及随机激光器具有重要意义。

提出了一种光子晶体波导与随机介质相结合的特殊型波导的设计方法。基于光子晶体波导模型，建立了ZnO随机介质作为线缺陷的光子晶体波导模型，采用时域有限差分(FDTD)法分析了ZnO随机介质的加入对光子晶体波导系统的频率特性、时域特性及增益特性的影响，并且与纯随机介质系统和含有线缺陷的光子晶体波导系统进行对比。分析结果表明，当在光子晶体波导的缺陷层引入ZnO随机介质时，随机介质使得光在缺陷处振荡并得到放大，局域化程度比纯随机介质系统和纯光子晶体波导系统更高；且光与随机介质的相互作用使得光在波导中时间延长，激光阈值降低。这种光子晶体波导可用于制备可嵌入到集成光路领域和低阈值的微型激光器。