利用严格耦合波理论和时域有限差分方法设计了一种应用于940 nm垂直腔面发射激光器的Si基零折射率对比度光栅反射镜。对零对比度亚波长光栅(Zero-index-Contrast subwavelength Grating, ZCG)的高反射特性进行了研究，分析了ZCG实现宽带高反射的条件。此外，讨论了光栅结构参数对反射性能的影响并计算了制作公差，模拟分析了ZCG尺寸与垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, VCSEL)氧化孔径尺寸对镜面损耗的影响。所设计的ZCG带宽可达280 nm, Δλ/λ0=29.8%。该反射镜可以替代VCSEL中传统的分布式布拉格反射镜，降低了工艺难度和生长成本，同时有利于VCSEL与其他Si基光电子器件的集成。

为了进一步提高光通信系统的传输容量，提出了一种基于光子晶体的 2波长×3模式混合复用／解复用器，该器件由 3个组合谐振腔、3个波长选择反射微腔、羊模波导、多模波导和雏形渐变搞合波导组成。采 用组合谐振腔和波长选择反射微腔的结构实现滤波，利用非对称平行波导的结构实现模式转换。应用时域有恨差分法进行了仿真分析，结果表明．该器件可以实现 1530 nm TE0模、1530 nm TE1模、1530 nm TE2模、 1550 nm TE0模、1550 nm TE1模和 1550 nm TE2模 6个信道的波分 模分复用和解复用，其插入损耗〈0.127 础B，信道串扰〈一15.19 础 B。

提出了一种内嵌矩形金属块纳米圆盘结构,利用该结构形成的法布里-珀罗腔来加强表面等离激元的耦合作用。该结构具有窄带宽高品质因子的滤波性能,可通过多腔耦合形成多通道波分复用器。采用时域有限差分方法讨论有无内嵌矩形金属块和金属块的横纵向宽度及耦合距离对强透射现象的影响,并根据其透射特性实现多通道波分复用器。研究发现,当圆盘谐振器内嵌矩形金属块后,滤波器具有较好的强透射现象,其半峰全宽显著降低,品质因子增加;通过耦合多个内嵌矩形金属块圆盘谐振器构建的等离子多通道波分复用器,可实现双通道及三通道解复用功能,各信道共振波长可通过谐振腔内嵌的金属块参数来调整,传输效率可达到70%,最小插入损耗为1.549 dB,平均工作范围为189 nm,且不存在相邻信道串扰。这说明该结构具有较好的解复用分频特性。

提出了一种新型、紧凑的光子晶体太赫兹(THz)偏振分束器,利用自准直效应实现横电(TE)模和横磁(TM)模的无衍射传输,利用禁带特性实现TE模和TM模的分离。基于平面波展开法和时域有限差分法对太赫兹偏振分束器的性质进行仿真建模分析,结果表明,该偏振分束器在2.9~3.01 THz频率范围内可实现偏振分离;频率为3 THz时,TE模的反射率和TM模的透射率均高于90%,TE模和TM模的消光比分别高达19.9 dB和26.24 dB。此外,与以往的光子晶体太赫兹偏振分束器相比,所提出的偏振分束器设计简单,更易于实现(无需引入缺陷),尺寸更微小(650 μm×650 μm),带宽更宽(2.9~3.01 THz)。

采用解析表达式的方法对一种一维光子晶体结构模型进行理论分析, 通过三维时域有限差分数值计算仿真孔洞型一维光子晶体各结构参量对其带隙特性的影响.仿真结果表明孔洞周期和半径、InGaAsP波导宽度、下包层折射率以及填充系数等参量的变化都会对其带隙带宽和中心频率产生较大影响.设计具有特定谐振波长的一维光子晶体纳米梁腔实例, 得到的谐振波长为1 561.7 nm、品质因子达104 量级.带隙特性的研究对于由一维光子晶体构成的光子集成器件如激光器、调制器等具有重要的指导意义.

为从波长信道中实现信号优良的选择性输出，设计了带有光子晶体U-型谐振器(PCUR)的反射式分束器结构。利用时域有限差分(FDTD)方法研究了其结构电磁波功率分束特性。设计的4 种对称结构可用于输入波长的功率二等均分，在第三通信窗口都具有传输率高的特性；设计的5 种的非对称结构具有峰值波长信号串扰弱的特性。根据设计需求，在带有3×2 PCUR 的对称结构中分别调整其结构的两PCURs 的散射介质柱半径，或其内部介质柱半径，能设计出不同信道波长间隔的高传输率分束器。研究表明：这些微型波长分束器件具有波长选择性优良、设计灵活、峰值波长处串扰弱等优点。在低损耗光路集成设计、波长密集型光通信系统设计等方面存在潜在应用价值。

采用介质层加载的方法使表面等离子体激元(SPPs)在传输过程中获得较低的传输损耗。通过比较介质-金属-介质(IMI)和介质加载的波导，证明了此介质加载的方法可以有效地减小表面等离子体的损耗，获得更低的传播速度。然后，在硅介质和金属银中间加载一层二氧化硅来提高介质光栅中表面等离子体慢波传输的性能。通过时域有限差分法证明所提出的结构使得不同频率的入射波产生的SPPs 停留在不同高度的介质中，获得很小的传播速度，并且有很小的传输损耗和强的亚波长限制。此结构在光存贮和光通信方面有着很好的应用。

研究一种准确、有效的数值方法是现代纳米器件建模和优化的重要目标之一，而分析大多数纳米器件特性的起始点是确定器件的本征值和本征态。提出了一种 新算法—高阶辛时域有限差分法(Symplectic finite-difference time-domain, SFDTD(3,4))，求解含时薛定谔方程。在时间上采用三阶辛积分,空间上采用四阶差分格式, 建立了针对含时薛定谔方程数值求解的高阶辛时域有限差分算法。将高阶辛算法SFDTD(3,4)用于一维量子阱中盒中粒子和一维谐振子的仿真中，实验结果表明SFDTD(3,4)法 比传统的时域有限差分算法以及高阶时域有限差分算法更加准确，适用于对纳米器件本征问题的长时间仿真。

通过使用正方格介质柱二维光子晶体设计了带有环形谐振器的一种插分滤波器ADF(add-drop filter)结构，该结构具有1个输入端口和2个输出端口，采用时域有限差分法研究了带有1个环形谐振器和2个环形谐振器的ADF结构传输性能。结果表明：该ADF结构在第三通信窗口具有优良的滤波作用，能够根据需要将电磁波信号沿着波导向前后上下4个方向传输，ADF结构还具有可调性开关波长、宽频带、高传输率等特点，在光子晶体集成化、光器件制作等方面具有潜在价值。

光子晶体波导分束器是集成光学电路的重要组成元件。设计一种线缺陷1×4光子晶体分束器，用时域有限差分法研究其特性。实验结果表明:输出端的透射传输特性随入射光的波长和分支的几何形状有关，并且入射波分别相等地流入4个输出端口。为了减少1×4分束器在3个Y型分支区的反射，通过调节分支区的可调介质柱的半径R，可使每个输出端口输出较高的透射率。