本文从局域耦合模理论出发，对基于CO₂激光器刻写的强调制少模长周期光纤光栅建立模型，实现了少模光栅调制区域纤芯传导模式间的耦合过程分析。该模型通过引入非对称与角向折射率调制，表征了光栅调制中较强且呈角向的折射率变化，从而获得了更准确的模式耦合系数及传播常数；将模式耦合系数及传播常数代入基模与三阶角向模式之间的耦合方程进行求解，实现了对光栅传输谱的仿真，且仿真结果与实验结果相匹配。最后，通过改变光栅模型的参数（光栅周期、周期数、调制深度），研究了传输谱的变化规律，为设计与制作更高阶模式的强调制少模长周期光纤光栅提供了参考。相比于其他模型，该模型能更准确地分析基于局部高强度激光照射、热处理的强调制长周期光纤光栅的传输谱特性。

基于光纤光栅的模式耦合理论, 用传输矩阵法对长短周期级联光纤光栅的传输谱特性进行分析。先由耦合模方程分别得到长周期光纤光栅(LPFG)、连接光纤段和短周期光纤光栅 (FBG)的传输矩阵, 然后将它们相乘得到总的传输矩阵, 最后再结合边界条件求得长短周期级联光纤光栅(CLBG)的传输谱。进一步对CLBG的传输谱进行了数值模拟, 并通过实验进行了验证。实验结果表明, CLBG的传输谱中出现了由纤芯模和包层模耦合形成的两个谐振峰, 与模拟计算的结果一致, 证明了传输矩阵法求解CLBG传输谱的可行性, 为CLBG在多参量传感和测量领域的广泛应用提供了理论支持。

实验研究了香肠状回音壁光学微腔，测量了单个微腔的光学传输谱线.实验结果表明，当从两端拉伸香肠状微腔的时候，观测到的光学模式的共振波长会随着拉伸量的增加而减小，而且不同模式的共振波长减小的速度存在差异.通过拉伸香肠状微腔的方法，实验观察到了单个香肠状微腔中的Fano共振现象.另外，实验上也观测到了与Fano共振现象相关的类电磁诱导透明现象。实验所涉及到的回音壁模式的品质因子高达108.

本文设计了一种支持Fano谐振传输特性的金属-介质-金属(MIM)型表面等离子体光波导结构,该结构由带有枝节谐振腔的直波导和一个开口方环谐振腔组成。利用数值方法详细研究了Fano谐振传输特性对几何参数的依赖关系,并通过时域耦合模理论(CMT)对给定参数条件下的传输谱进行了拟合验证。同时,也对该结构在折射率传感器方面的应用进行了研究,通过计算介质折射率变化引起的Fano谐振峰的波长变化可以发现,传感器的灵敏度高达1500 nm／RIU,品质因子超过1800。这种表面等离子体光波导结构在光子器件集成及纳米滤波器、快速光开关以及折射率传感器等领域有一定的应用前景。

基于表面等离子体波的传播特性提出了一种由方形凹环与波导管耦合而成的MIM结构滤波器, 运用有限元法数值计算获得了该滤波结构的磁场分布、透射谱和共振波长分布曲线.研究结果表明, 其阻带透射率最小透射比可低至0.01, 通带最大透射比则高达0.96, 并且顶部分布平滑.在增大滤波器波导结构参数I、H时, 相应的透射谱线会有明显的红移, 且不同模式阻带的透射比也会随之改变, 此外共振波长与结构参数的变化呈现线性关系.在增大结构参数D时, 模式1的透射率从之前的0.63增加到0.80, 模式1最终消失, 其余模式几乎不变, 同时共振波长分布与参数D的变化无关.通过结构参数的优化, 可以使波导结构的品质因数从14.82提升到17.07, 通频带亦有所增加.该MIM结构滤波器具有封装尺寸小、多模式、阻带较窄、通带平滑、良好的品质因数以及可调节性, 在微纳集成光学器件尤其是波分复用系统中有着良好的应用前景.

本文设计了一种带有两个水平侧耦合Fabry-Perot (FP)共振腔的基于金属-绝缘体-金属(MIM)结构的Y型表面等离子体光波导结构。传输谱存在一个较窄的阻带，两个腔的长度相同时，两个输出端的传输谱几乎完全重合；两个腔长度不同时每个输出端的传输谱上的阻带位置也不同，并且当一个输出端透射率达到最小时，另一个输出端的透射率接近最大。通过调节两个FP共振腔的长度、宽度以及腔内介质的折射率，可以调节表面等离子体激元在腔内发生共振从而形成驻波的工作波长，实现探测灵敏度高达1280 nm/RIU、品质因子大于200的传感特性。利用这些特性可以在两个输出端对不同的工作波长实现滤波、开关、分束等功能，因此这种亚波长表面等离子体光波导结构在集成光学滤波器、纳米光开关、分束器以及折射率传感器等领域有一定的应用前景。

光学微腔品质因子高、灵敏度高，在精密生物传感方面有广阔的应用前景。针对洛伦兹拟合算法不能很好地拟合光学微腔输出端非对称波形和劈裂模式波形的问题，提出了隐函数模型算法。该算法首先建立模板波形，然后经平移、放缩理论实现模板波形操作，利用Levenberg-Marquardt (LM)算法优化参数值，能够实现对称波形、非对称波形和劈裂模式波形数据拟合。通过搭建光学微腔数据采集系统，采用高斯、洛伦兹和隐函数模型算法对不同折射率溶液的实验数据进行拟合。结果表明：隐函数模型算法比前两种算法的MSE低1个数量级，且拟合优度(R²)达到了0.99，拟合效果较好；隐函数模型算法谐振频率误差最小，谐振频率偏移量最大，对应的灵敏度最高，有利于提高光学微腔灵敏度。

本文设计并提出一种基于金属-介质-金属结构的带有半环形共振腔的表面等离子体光波导滤波器,利用数值模拟的方法研究了其传输特性。结果表明,在该结构传输谱曲线中形成的滤波阻带位置可以通过改变半环形共振腔的半径来调整。另外由于结构固有的特性,在传输谱曲线上还可以观察到类似等离子体感应透明的传输特性,而且这一特性可以通过改变半环形共振腔与直波导之间的耦合间距和采用面对面放置的双半环结构进行调节。本文所设计的结构可以动态控制光的传输,并可以应用于紧凑型纳米光学器件集成领域。

基于表面等离子激元理论与金属-介质-金属波导结构提出一个由开口方环共振空腔、挡板及MIM波导组成的波导结构, 并使用有限元方法系统地研究了该结构的透射特性.仿真计算结果表明：该结构可以产生法诺共振现象, 其共振波长可以通过改变开口方环空腔的长度及开口大小进行调节, 该结构敏感度可达1 600 nm/RIU,品质因数为1.31×105.此外, 通过调整方环共振空腔上开口的位置, 在波导中产生了双重法诺共振现象, 其敏感度可达1 700 nm/RIU, 品质因数为8.3×104.该结构有望在光学集成回路, 尤其是纳米生物传感器方面得到比较广泛的应用.

提出由T型空腔和挡板组成的两种金属-电介质-金属(MIM)波导结构, 分别为: 正T型空腔结构和倒T型空腔结构, 并应用有限元法系统地研究了该结构的透射特性.对于正T型空腔结构, 仿真结果出现了双重法诺共振现象, 并且共振波长可以通过改变T型空腔长度和高度进行调节.该结构有助于设计成敏感度达到1 620 nm/RIU、品质因数为5.4×104的纳米传感器.对于倒置T型空腔, 在波导中产生了多重法诺共振现象, 其敏感度可达1 560 nm/RIU, 品质因数为9.37×104.该结构有望在光学集成回路, 特别是纳米传感器、光束分路器方面具有广泛应用.