为了实现高精度温度传感的目的, 设计了一种新型双芯光子晶体光纤耦合微扰传感结构, 采用有限差分光束传播法对该结构的传感特性进行了分析。利用RSOFT软件的Beampronp模块对该传感器特性进行了仿真研究。结果表明, 在满足双芯耦合条件下, 折射率灵敏度可达7000nm/RUI; 耦合间距灵敏度可达2;在填充液体为乙醇时, 该传感结构可实现温度范围为278K~338K的检测, 在该范围内的灵敏度可达4nm/K。该传感器检测线性度高、工艺简单, 对其它相关传感器的研究有一定帮助和意义。

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。

为提高InP基光探测器的吸收效率和工作速度，设计了一种渐变耦合脊波导单载流子传输异质结光敏晶体管探测器。采用有效折射率法和光束传播法，分析渐变耦合脊波导的光传输模式，优化后波导宽度和波导长度分别为2.6 μm和250 μm，可实现单模传输和高的光吸收效率.由于渐变耦合脊波导单载流子传输异质结光敏晶体管光传输方向与载流子运动方向垂直，分别优化光敏晶体管的吸收效率和速度，器件输出光电流和特征频率均得到改善.渐变耦合脊波导单载流子传输异质结光敏晶体管的响应度为33.83 A/W，饱和输出光电流为90 mA，最高特征频率达到87 GHz，其饱和输出电流和特征频率相比于台面单载流子传输异质结光敏晶体管分别提高了20%和24%.但渐变耦合脊波导单载流子传输异质结光敏晶体管吸收体积大，获得饱和电流时的光功率也比较大，因此渐变耦合脊波导单载流子传输异质结光敏晶体管的响应度略小于台面的单载流子传输异质结光敏晶体管的响应度.

为了探究非对称耦合器的特性, 利用具有折射率差异的两根光纤制作了宽带耦合器。采用数值计算模拟了不同折射率差光纤耦合器的光场分布以及输出光功率随拉伸长度的变化曲线, 并分析了两种宽带耦合器的带宽差异以及熔融度对功率转换比的影响; 采用光束传播法, 通过仿真模拟得到了理论带宽。结果表明, 耦合的功率转换比随两根光纤的不对称情况而变化, 功率转换比调节到耦合器分束比的大小时, 耦合器带宽最宽; 熔融度对宽带耦合器分束比有一定的调节作用; 3dB光纤耦合器在C+L波段波长响应平缓, 带宽范围达到150nm; 分束比3∶7和1∶9的耦合器带宽范围分别是210nm和330nm; 分束比1∶99的耦合器带宽范围是420nm。此研究结果对制作非对称宽带耦合器提供了参考依据。

以最小周期单元包含5个格点的新型Lieb晶格(Lieb-5)为平台,将Lieb-5晶格的格点根据其空间位置分成中心格点和边缘格点,用光束传输法研究具有不同强度值的两组格点对异相八极光束传输的影响。仿真结果表明:无论是采用格点入射还是非格点入射,当中心格点的强度小于边缘格点的强度(两组格点强度为2∶3)时,光束在传输过程中始终保持八峰形状,呈现出强局域性;否则,光束在传播过程中无法始终保持八峰结构,入射格点之间的能量随着传播距离的增加而呈周期性地相互耦合,呈现出一种弱局域性;原因是Lieb-5晶格特有的拓扑结构产生的几何阻挫性能抑制了光束的离散衍射,若晶格的束缚性、光束的衍射效应和异相光束的相互作用达到平衡,则能保持八峰结构,否则光束不能始终保持八峰结构。

波导型可调控检偏器是集成光子系统中的核心元器件之一,其输出偏振态具有动态调控特性,在集成光子系统中具有重要的应用价值。提出了一种新型波导型可调控检偏器,该器件采用偏折倒脊型波导结构,利用液晶材料的各向异性和大双折射特性并基于电光效应实现对光束偏振态的调控,完成横电波和横磁波的可调控输出。采用光束传播法对所提器件的光学特性进行了模拟分析,模拟结果表明,该新型波导型可调控检偏器的消光比高达29.8 dB,光损耗仅为0.002 dB,且该器件对波长和制作工艺误差不敏感。所提器件具有动态调控简便、易于设计和制作、结构简单等诸多优点,在集成光子系统中具有广阔的应用前景。

为了对微纳光纤耦合器进行研究, 采用光束传播法, 在不同熔融区长度和不同波长输入光情况下对微纳光纤耦合器的熔融拉制过程进行数值模拟, 取得了输出光功率随拉伸长度变化的曲线和光场分布, 并分析了耦合器的3个阶段的模场变化和光场特点。结果表明, 当拉伸到微纳光纤耦合器失去有效耦合阶段时, 两光纤的输出光功率趋于相等且不再随拉伸长度的变化而变化; 熔融拉锥耦合器在各个阶段的光场分布特点不同; 熔锥型的微纳光纤耦合器失去有效耦合与熔融区的光纤直径直接关联, 且此光纤直径与输入光的波长有关, 波长越小, 熔融区需经拉伸达到的光纤直径越小。这一结果对研究微纳光纤耦合器失去有效耦合的成立条件是有帮助的。

We propose a new kind of microring resonators (MRR) based on 4 × 4 multimode interference (MMI) couplers for multichannel and highly sensitive chemical and biological sensors. The proposed sensor structure has advantages of compactness and high sensitivity compared with the reported sensing structures. By using the transfer matrix method (TMM) and numerical simulations, the designs of the sensor based on silicon waveguides are optimized and demonstrated in detail. We apply our structure to detect glucose and ethanol concentrations simultaneously. A high sensitivity of 9000 nm/RIU, detection limit of 2 × 10^-4 for glucose sensing and sensitivity of 6000 nm/RIU, detection limit of 1.3 × 10^-5 for ethanol sensing are achieved.