基于三维光子晶体空间完全带隙的特性, 本文在实验上构建了一种由非共面的两个波导和一个立体微腔组成的四端口通道下载滤波器。讨论了球体、正方体、长方体微腔滤波器的选频特性, 以及连续旋转长方体微腔时, 其输出频率的变化。研究结果表明, 无论是对称型还是非对称型微腔, 都可以较好地实现选频。提高微腔的不对称性, 共振输出频率随之发生移动, 说明改变微腔的对称性, 可以有效调节滤波器的选频特性。连续旋转非对称型长方体微腔, 输出频率会随之发生明显的移动,如果引入有效调节机制, 可以产生连续调节输出频率的效果。该研究结果给多端口选择性输出空间滤波器的设计提供了新的思路, 为光学器件集成化的设计提供了重要的理论参考。

基于二维正方晶格光子晶体与十二重Stamfli型光子准晶提出了单环形腔上下载滤波器及双环形腔串联上下载滤波器.分析并对比了两种上下载滤波器的传输效率随光子准晶介质柱半径及折射率大小的变化规律, 且对比了两种上下载滤波器的品质因数随环形腔中心介质柱半径及折射率大小的变化规律.结果表明, 双环形腔串联复合型上下载滤波器的性能优于单环形腔复合型上下载滤波器.研究结果将为设计及制备优良上下载滤波器件提供一定指导作用.

根据光波模在光子晶体线缺陷波导和环形谐振腔之间的耦合原理, 在二维三角晶格光子晶体中设计了一款由线缺陷主波导、环形谐振腔、60°弯下载波导组成的多信道下载滤波器。利用平面波展开方法计算了完整光子晶体及线缺陷波导的能带结构; 基于时域有限差分方法计算了各目标频率光信号在器件中的传输特性, 分析了影响器件耦合效率的因素并对其进行了改进。分析表明: 通过改变环形谐振腔内介质柱的半径可以调节光子晶体环形谐振腔的谐振频率, 而改变线缺陷主波导与环形谐振腔之间耦合区域中介质柱的形状以及将直下载波导改换成60°弯下载波导可以提高线缺陷主波导、60°弯波导与环形谐振腔之间的耦合效率。计算结果显示: 优化后的多信道二维光子晶体滤波器具备优良的选频功能, 各目标频率光信号的透射率均达90%以上。与传统半导体介质材料器件相比, 该器件体积较小, 结构简单, 易于大规模集成, 很有应用前景。

利用二维正方晶格介质柱型光子晶体(PC), 设计了一款由4个线性渐变型微腔和异质结构光子晶体反射器组成的多信道下路滤波器。利用平面波展开法(PWE)以及二维时域有限差分法(2D-FDTD)分析了该异质结构滤波器的工作机制, 并进一步探究了微腔参考面与异质结界面之间距离对下路效率的影响。研究表明, 滤波器中的异质结反射器可以实现接近100%的反射, 从而大幅度地提高了三端口滤波器的滤波效率。设计的多信道滤波器各个通道都能有效地实现下路滤波功能, 其信道间隔为10 nm, 滤波效率均在90%以上, 透射谱半高宽均在0.54 nm以下, 实现了较高的品质因子特性。该滤波器尺寸只有15.15 μm×13.91 μm, 且滤波效率很高, 适于在波分复用系统中进行复用与解复用, 在未来光路集成应用中具有良好的应用前景。

为使不同频带的电磁波沿着各自的信道传输，在二维介质柱正方格光子晶体中设计了3 种典型的信道分路滤波器(CDF)结构。利用时域有限差分法研究了其特性，得到了各个输出端口对应的传输特性曲线。各信道分路输出信号在其通带中心频率处强度最大，随远离中心频率向高频或低频移动各信道输出信号强度将迅速衰减。该类CDF 结构各信道分路具有选频性能强，频带中心频率串扰弱，工作波长范围宽等特性，可用作设计窄带带通滤波器、或带阻滤波器等微型器件。因此，在光子晶体片上的光路设计、波分复用光通信系统设计等方面存在潜在的应用价值。

基于光子晶体单向传输波导,设计了一种三端口和两种四端口结构的通道下路滤波器.为取得100%的通道下路效率,运用实时耦合模理论对这三种结构进行了分析.理论分析表明该通道下路滤波器比利用光子晶体普通介质波导设计的通道下路滤波器具有更简单的结构,降低了器件制作难度.用有限元方法对滤波器结构进行了数值仿真分析,仿真计算结果表明所设计的三种结构具有超过90%的通道下路效率,与理论分析结果相符合.

提出并成功演示了一种微纳光纤环与侧边抛磨光纤直接耦合的上下载滤波器。实验结果表明这种滤波器件不仅能实现两种光纤系统的互连耦合，并且能实现两系统间的上下载滤波功能。下载输出端消光比最大可达7.5 dB，上载输出端消光比最大可达4.8 dB。此外，通过进一步实验及数值仿真研究了不同环直径对两种光纤系统耦合的影响。实验和数值模拟研究结果都表明在微纳光纤直径为6 μm的情况下，当微纳光纤环直径为580 μm时，微纳光纤环与侧边抛磨光纤的耦合达到最大，同时此耦合对环Q值与精细度的影响也达到最小。这种上下载滤波器不需额外设计微纳光纤与标准光纤耦合的光学器件，为微纳光纤系统与现有的光纤系统的互连提供了一种更简洁有效的解决方案。

采用二维正方排列的光子晶体，根据微腔缺陷模和波导模共振耦合原理，设计了一种新型的多信道下载滤波器，该滤波器通过主波导、90°弯波导和共振微腔的组合，提高了各个信道下载波导的下载效率。利用二维时域有限差分法模拟了滤波器的传输特性，并理论分析了影响下载效率的因素，进一步对滤波器进行了优化，使得各信道下载波导的下载效率均在91%以上。模拟结果表明该滤波器能有效地实现光波的分波下载，传输谱信道波长间隔约为20 nm，中心波长误差为±2 nm，传输谱的最大半宽度为3.2 nm，有良好的波长选择性，证实了增大下载波导和共振微腔的耦合区域可以有效地提高滤波器的下载效率。

设计了基于二维正方晶格光子晶体微环的插分滤波器的基本结构,对其进行了时域耦合模理论分析,得到了输出端口的归一化透射率表达式。利用时域有限差分法对滤波器进行数值仿真,仿真结果与时域耦合模理论分析结果一致。结果显示,经过合理的参数调节,滤波器的传输效率可达到98%。这一分析方法同样可以适用于其他光子晶体结构。