未来二极管抽运固体激光器的重要发展方向是实现“三高”,即高功率、高效率和高光束质量的激光输出,而热效应将严重影响固体激光器的激光性能。作为极具发展前景的增益介质材料,激光陶瓷具有连续激光输出能力强、热导率高、可以高浓度掺杂等优点,并且容易实现大尺寸、批量化以及复合结构样品制备,而复合结构的增益介质可以有效改善固体激光器的热效应。其中,通过在激光陶瓷中制备光波导结构,可以高效散热、提高抽运效率,获得紧凑且具有高增益的激光系统,该类激光陶瓷有望解决“三高”固体激光器的核心问题。对光波导激光陶瓷的研究进展及其设计原理、制备方法和材料性能做了综述和介绍,最后对光波导激光陶瓷未来的研究做了展望和分析。

设计了采用输入波导、缓变展宽波导和宽的直过渡波导的Y型分支波导结构,大大降低了光分路器的插入损耗。 利用OptiBPM软件,将其逐级扩展为1×8平面波导光分路器。分别研究了波导折射率、弧形波导长度、分支角及输入波长对该平面波导光分路器输出特性的影响, 并结合最优结构参数对其进行了优化。仿真结果表明:该光分路器插入损耗、输出均匀性的最佳值分别为9.96 dB、0.41 dB。 器件设计参数及性能可以满足批量生产要求,对光分路器的设计和生产工艺有一定的参考价值。

基于表面等离子激元理论提出一个由金属-介质-金属波导和半环切口组成的波导结构,应用时域有限差分法研究了该结构的透射特性.仿真结果表明：透射光谱中产生一个类似法诺共振线形的共振谷, 该法诺共振由半环切口中连续态与离散态的相互干涉所致, 其共振波长可以通过改变半环切口的结构参量进行调节, 该结构灵敏度约为575 nm/RIU, 品质因数可达5 671.添加一个矩形谐振腔于该结构上可产生多重法诺共振, 品质因数为6 555, 此特征能为波导结构的设计提供极大的灵活性,有望在光学集成回路、纳米传感器方面得到比较广泛的应用.

利用Cu2+离子注入的方式在熔融石英和石英晶体上分别制备了平面光波导结构.通过棱镜耦合实验测试了两种光波导的导模特性, 结果表明：在同样的注入条件下熔融石英上形成了增加型的光波导结构, 而石英晶体上形成了位垒型的光波导结构.研究了退火温度对两种光波导导模折射率的影响, 熔融石英光波导中导模的折射率随着退火温度的升高而降低, 而石英晶体光波导中导模的折射率随着退火温度的升高先增加后降低.为了进一步分析离子注入两种材料形成光波导的微观机理, 利用SRIM模拟了Cu2+离子注入两种材料的电子能量损失和核能量损失, 并且模拟了两种光波导结构的折射率分布.模拟结果表明：熔融石英光波导的主要形成原因是离子注入表面的折射率大于其体材料的折射率, 而石英晶体光波导的主要形成原因是离子射程末端的折射率小于其体材料的折射率.因此, 在熔融石英光波导的形成中电子能量损失起主要作用, 而在石英晶体光波导的形成中核能量损失起主要作用.

为了提高2 μm InGaAsSb/AlGaAsSb 半导体激光器的最大输出功率,减小远场垂直发散角并实现单模稳定输出, 在非对称波导结构的基础上设计了具有双波导结构的2 μm InGaAsSb/AlGaAsSb半导体激光器.同时, 利用相关的物理模型及SimLastip程序语言构建了InGaAsSb/AlGaAsSb Macro文件, 利用SimLastip软件对具有不同结构的2 μm InGaAsSb/AlGaAsSb 半导体激光器进行了数值模拟分析.研究结果表明, 双波导结构可以将半导体激光器的有源区限制因子由0.019 2减小至0.011 3, 器件的最大输出功率提高了1.7倍, 远场垂直发散角由57°减小到48°, 器件性能得到了改善.

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。

提出了一种非对称异质波导半导体激光器外延结构,即通过优化选择材料体系和结构厚度,对器件外延层的P侧限制结构和N侧限制结构分别设计,从而降低器件的电压损耗,使其满足高输出功率以及高的电光转换效率的要求.从载流子的输运和限制等微观机制出发,对器件的主要输出特性进行了理论分析和数值模拟,并以此为根据设计和制作了一种1060 nm InGaAs/GaAs单量子阱非对称异质波导结构半导体激光器,并对器件的主要输出特性进行了测试.实验结果表明,非对称异质结构是降低器件的电压降、增大限制结构对注入载流子的限制,提高半导体激光器电光转换效率的有效措施.

基于熔锥型光纤耦合器在拉锥过程中光纤锥形的渐变特性和光纤之间熔融度的变化特点, 构建了光纤耦合器在拉制过程中波导结构的变化模型.利用光束传播法对耦合器的拉制过程进行数值模拟, 得到耦合器输出光功率随拉伸长度的变化规律以及耦合器的能量分布图.理论模拟和实验结果表明, 光纤间熔融度与制作耦合器时的氢气流量及拉伸速度有关, 氢气流量大, 拉伸速度小, 熔融度就大；光纤之间的耦合作用与拉伸长度及熔融度有关, 拉伸长度增加或熔融度增大, 都会使光纤间的耦合更加显著；拉伸长度不大时, 锥形区的耦合可以忽略；随着拉伸长度的增加, 光纤变细, 耦合作用逐渐增强, 锥形区的耦合现象越明显, 同时光场也逐渐由纤芯向外发散, 产生附加损耗.

结合ITU-T G.657光纤标准的修订,将弯曲不敏感光纤的分类及性能区别进行了汇总分析,介绍了G.657光纤波导结构设计和业界采用的制备技术,并将亨通光纤公司所进行的超强抗弯曲光纤的研制方法和开发的G.657B3光纤性能情况作了分析和阐述。测试结果表明,研制的G.657B3光纤各项性能优于ITU-T国际标准,与G.652D光纤熔接损耗典型值0.099 33 dB,具有良好的兼容性。