光学元件的小型化与集成化一直是光场调控和集成光学领域的研究重点与难点之一。光学人工微结构具有在亚波长尺度上灵活调控光场振幅、偏振、相位、频率等属性的能力。通过与片上光波导或微腔集成，人工微结构可以为实现更紧凑的片上集成光子学器件以及更精确、更丰富的光场调控提供新的解决方案和更多的可能性。本文依据片上集成人工微结构在不同环节中调控的光场类型的差异，将其分成三类进行了讨论。介绍了基于不同设计原理的片上集成人工微结构在自由空间光入射耦合、波导模式面内调控以及离片辐射场调控方向的研究进展，并对该领域的部分新兴方向进行了展望。

光学相控阵技术通过调节和控制光学天线阵元的相对相位，可实现高速灵活的定向辐射，逐渐发展成为非机械式光束控制的主流方案。其兼具功耗低、集成度高、体积小、质量轻等优点，可以同时控制多波束的收发，满足未来一对多激光通信的迫切发展需求。本文主要针对光学相控阵技术当前三种主流的技术方案在激光通信领域的应用现状进行阐述，对比给出了基于液晶、微机电系统和集成光波导平台的技术特点和应用优劣。最后针对光学相控阵技术在激光通信领域的未来发展，给出了笔者的一些思考与建议。

设计并制备了一种基于树形结构的1×8硅基热光开关，该热光开关由1个2×2和6个1×2马赫-曾德尔干涉仪的基本单元结构组成。该1×8硅基热光开关采用与互补金属氧化物半导体兼容的工艺制造。通过氮化钛加热器来改变波导的温度，利用硅的热光效应实现光开关功能。实验结果表明：在1550 nm工作波长下，该热光开关的平均片上插入损耗约为1.1 dB；所有输出端口的串扰都小于-23.6 dB；开关响应时间小于60 μs。

提出一种基于绝缘体上硅的具有超高形状因子的光学平顶滤波器方案。该方案采用跑道型微环谐振器（RMRR）辅助非对称马赫-曾德尔干涉仪（MZI）结构，可实现的3 dB带宽为1.94 nm，相应的形状因子1（3 dB带宽与通带内功率下降10 dB时的通带宽度之比）和形状因子2（3 dB带宽与通带内功率下降15 dB时的通带宽度之比）分别为0.96和0.94，纹波因数（通带中最大功率与最小功率的比值）为2.40 dB。此外，分析了由RMRR引入的相移对该平顶滤波器性能的影响，并实验验证了通过调节施加在RMRR上的电压可以有效地调控其输出谱。该方案具有形状因子高、工艺复杂度低、体积小、质量轻、功耗低等优点，可广泛应用于高速光通信网络中。

提出了一种融合新型支撑方式与灵敏度分析的光机热集成分析与优化方法，用于设计超高精度深紫外光刻投影物镜系统。首先，采用轴向多点与周向三点胶接支撑相结合的新型支撑方式，实现了212.51 mm口径光学元件的超高精度定位要求。其次，通过对光学元件进行热力耦合分析，验证了光机系统的合理性。然后，在光机热集成分析条件下，分析了单个光学元件的灵敏度，以及全部光学元件表面变形对整体光学系统波像差均方根值和校准F-tan θ（F为焦距，θ为物方视场角）畸变的影响。最后，通过调整部分光学元件的灵敏度进行局部优化，并对整体光学系统的像质进行优化。结果表明：在热力耦合条件（参考温度为22.5 ℃、极限工作温度为±2.5 ℃、重力）下，光学元件的最大表面面型均方根（RMS）值为9.86 nm，能够满足超高精度定位要求。在光机热集成分析条件下（参考温度为22.5 ℃、极限工作温度为±2 ℃、重力），优化后光学系统的波像差RMS值小于10.50 nm，校准F-tan θ畸变小于6.00 nm，相较于优化前，波像差RMS提升了46.98%，校准F-tan θ畸变提升了77.69%，达到了设计要求。

针对脉搏波信号采集过程中存在噪声的问题，提出了基于改进互补集成经验模态分解的脉搏波去噪算法。利用光纤布拉格光栅传感器获取脉搏波信号，首先在互补集成经验模态分解算法中加入高斯白噪声，然后利用粒子群算法优化高斯白噪声幅值，以此来消除互补集成经验模态算法分解产生的模态混叠现象，并联合小波阈值函数对其处理后的脉搏波信号进行重构。实验结果表明，所提算法能够有效降低脉搏波信号中的噪声干扰，在信噪比、均方误差两个指标上均优于对比算法，为提取脉搏波的时域特征奠定了基础。

提出一种具有模式保持功能的片上模式分离器方案。该方案基于多模干涉耦合器（MMI），通过在MMI多模区加入微型热电极，并通过合理设计热电极的位置和精确控制热电极的加热温度，实现TE0、TE1和TE2三种模式的分离，其插入损耗均低于1.06 dB，模式串扰均低于-15.38 dB。该方案具有模式分离数量多和可扩展的优势，可被广泛用于信号处理系统和通信系统中。

以典型的20 m²小型定日镜为对象，采用光-机集成建模方法，研究了自重和风载荷联合作用下定日镜的服役光学精度特性，综合考虑了定日镜工作高度角、风压大小和关键结构参数的影响。结果表明，沿镜面横向的斜率误差分量D_x要明显大于沿其竖向的D_y，螺栓数量N增加对D_x影响不显著，但能显著减小D_y，反射镜面自身刚度弱是其服役光学精度下降的主要原因；机架中角钢型材的边长a在30~50 mm之间对光学精度影响较小，但厚度t对光学精度的影响较为显著。定日镜结构变形与镜面斜率误差均随着风压载荷的增加而线性增加，且不同高度角β下总镜面斜率误差变化曲线斜率基本一致；仅在自重作用下，高度角0°~90°内总斜率误差能控制在1.45 mrad以内；镜面变形与其斜率误差分布规律完全不同，镜面斜率误差与镜面变形之间并非呈线性正比关系，采用光学精度进行评价或指导定日镜结构优化设计是最佳途径。