学院包括光电研究所、理论物理研究所、激光光谱研究所、现代通信技术研究所。
光电研究所
山西大学光电研究所创建于1984年，是山西大学的研究机构，肩负有研究生教学与基础科学研究双重任务。2002年以光电所为主体建成量子光学与光量子器件国家重点实验室、光学国家重点学科，具有硕士、博士学位授予权，建有博士后科研流动站，承办有全国性学术期刊《量子光学学报》。现有量子光学基础研究和应用、非经典光场产生与应用、量子测量与通讯、腔量子电动力学、冷原子与光场相互作用、光与原子相干作用、玻色-费米混合气体冷却、激光技术与光量子器件八个实验室和激光器、电子仪器、机加工三个车间。主要从事量子光学基础与应用、光与原子相互作用和光量子器件等方面的实验研究、高技术应用开发以及量子光学领域高层次专门人才的培养。始终坚持进行国际前沿课题的研究，以“攀登、奉献”作为研究所建设的灵魂，注重学术梯队的培养，已形成一支稳定的老中青三结合的科研队伍，已成为我国量子光学研究与人才培养的重要基地。
科研团队中现有中科院院士1名、国家杰出专业技术人才奖获得者2人、国家杰出青年基金获得者4人、优秀青年基金获得者2人、 长江学者特聘教授2人、青年长江学者1人、国家重大科学研究计划项目首席科学家2人、新世纪百千万人才计划3人、国家“万人计划入选者”2人、教育部新世纪(跨世纪)优秀人才计划5人。2004年被评为山西省优秀创新团队、2005年被评为教育部创新团队、2008年被评为国家创新研究群体(2011年获二期资助)、2017年12月入选教育部首批“全国黄大年式教师团队”。
目前，研究所作为首席单位承担国家重大科学研究计划（973计划）项目3项，承担及参与973课题19项；国家“863”计划课题2项；国家重大科研仪器项目5项；国家自然科学基金委创新群体1项并获二期延续资助；国家杰出青年基金项目3项；优秀青年基金项目2项；国家基金重点项目13项；国际合作项目4项；面上及青年项目100余项；省部级项目180余项；横向及其他项目50余项。
瞄准国际科学前沿和国家重大需求，完成了一系列有国际影响的创新性工作。在Nature及其子刊、Sci.Adv.、PRL等国际重要学术刊物上发表论文700余篇。获国家自然科学二等奖1项，国家技术发明二等奖1项，何梁何利基金科学与技术进步奖1项，谢希德物理学奖1项，省级科研成果一等奖4项、二等奖13项、国家级教学成果二等奖1项等。已研制出全固化单模单频绿光激光器等系列产品十余种高性能全固态激光器及其配套的光电子设备、产品，获国家发明专利授权70余项。研究所在建设中重视学术交流，在国际上先后与美国、法国、日本、澳大利亚、德国等国家的著名量子光学实验室建立了长期稳定的具有实质性的学术交流和学术互访关系。由中法互派学者访问的双边合作项目已经成功地进行了多年，取得了可喜的成果。
理论物理研究所
山西大学理论物理研究所1989年经山西省教委批准成立，1998年理论物理学科获得博士学位授予权，并成为山西省重点学科。经过二十多年的建设与发展，理论物理研究所现在涵盖理论物理、凝聚态物理、粒子物理与原子核物理三个二级学科的研究方向，是山西大学物理学一级学科博士点、物理学博士后流动站、国家理科基础科学研究与教学人才培养基地的重要支撑单位之一。理论物理研究所保持一支团结、敬业的科研教学队伍，现有研究人员26人，其中教授12人，副教授8人，博士生导师11人，除了承担物理基地班的主干课程教学工作外，研究所目前的研究生培养规模稳定在硕士在读研究生80人左右，博士在读研究生30人左右。为提高山西省自然科学基础研究的学术声誉和培养基础科学研究人才做出了贡献。
经过多年不懈努力和学术积淀，理论物理研究所已经形成既“突出理论物理研究的前瞻性又兼顾基本理论的潜在应用”的研究特色，目前主要围绕以下六个研究方向开展研究工作：（1）量子物理的基本理论及其应用；（2）介观体系的量子输运；（3）复杂系统中的动力学问题；（4）冷原子气体与玻色爱因斯坦凝聚；（5）材料计算与极端条件下的相变问题；（6）中高能核碰撞物理与正负电子对撞物理。
山西大学理论物理研究所充分发挥不受实验条件限制、资源消耗低、学术思想活跃的学科优势，为研究人员创造一个学术自由、合作愉快、交流方便的学术环境。全所教师本着一种平等、宽容的心态，严谨、务实的作风，在自由、和谐的气氛中发挥创造性思维能力、开展科学研究工作。
激光光谱研究所
激光光谱研究所是山西大学的一级学术研究机构，是组成量子光学与光量子器件国家重点实验室的单位之一。1989年由学科带头人贾锁堂教授开展激光光谱学研究方向,2000年建成激光光谱实验室，2010年6月调整为山西大学一级研究单位，2013年6月更名为山西大学激光光谱研究所。
激光光谱研究所现有教授21人，副教授11人，具有博士学位的研究人员39人，另有海外特聘教授6人。其中国家重大研究计划首席科学家1人，国家重点研发计划首席科学家1人，长江学者特聘教授 2人，德国科学院院士1人，教育部跨/新世纪优秀人才基金获得者3人,山西省学术技术带头人2人，山西省高等学校中青年拔尖创新人才6人，山西省高等学校青年学术带头人8人, 山西省“百人计划”特聘专家12人, 山西省青年三晋学者特聘教授3人。
山西大学激光光谱研究所主要从事光与原子分子的相互作用、精密光谱学及量子信息方面的基础与应用研究。已经建立的实验平台包括超冷分子物理平台、超冷里德堡原子平台、单分子光谱与动力学平台、高分辨光谱应用平台等。研究所注重学术梯队的培养，已形成一支稳定、富有活力的科研队伍。研究所支撑的山西大学原子与分子物理学科在2007年成为山西省高等学校重点学科，2008年原子与分子物理团队被评为山西省高等学校优秀创新团队，2012年研究所申报的原子分子物理国际联合研究中心获得科技部批准，2013年研究所“光与原子相互作用的量子效应”团队成为教育部创新团队并于2018年获教育部滚动支持。2018年研究所申报的“光与物质相互作用的量子效应”高等学校学科创新引智基地（简称“111基地”）获国家外专局批准。2018年研究所组织申报的极端光学协同创新中心被教育部认定为省部共建协同创新中心。
研究所注重学术交流与合作。研究人员多次赴美国NIST、哈佛大学、莱斯大学、马里兰大学、霍浦金斯大学、法国国家科学中心、英国杜汉大学、德国海德堡大学、荷兰莱顿大学、比利时鲁汶大学、日本电气通信大学以及台湾原子与分子科学研究所等相关研究机构进行学术交流和合作研究。 研究所于2004年承办了中国物理学会秋季会议。2006年12月举办了京晋激光界青年科学家学术论坛。2010年8月组织了第五届亚太量子信息科学研讨会。2011年12月承办了第三届中部六省光子科学发展论坛。2013年7月承办了第五届全国光学青年学术论坛。2014年10月承办了第十七届激光科学研讨会。2017年8月举办了第二届里德堡原子和分子学术研讨会，2017年10月承办了承办第一届激光谱技术青年学论坛；2017年10月承办了第五届量子模拟研讨会。2019年主办了Quantum science and technology研讨会。
研究所主持承担国家重大研究计划（973项目）项目与课题、国家重点研发计划项目及课题、国家863计划课题、科技部国际科技合作与交流专项、国家重大基础研究计划前期研究专项、国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金面上/青年项目等国家级项目共90项，省部级项目69项，横向项目14项。在国内外重要学术刊物上发表论文550余篇，获国家授权发明专利95项。山西省科学技术奖自然科学类一等奖2项，山西省科学技术奖技术发明类一等奖1项，山西省科技进步奖二等奖2项，山西省科学技术奖自然科学类二等奖1项，山西省科学技术（科学技术合作类）奖一等奖1项，获国家质检总局“科技兴检奖”1项。
现代通信技术研究所
现代通信技术研究所是物理电子工程学院直属学术研究机构，现有教授9人，副教授20人，山西省高校青年学术带头人1人，中国电子学会天线分会委员1人、山西省计算机学会副理事长1人，山西省通信学会常务理事1人，IEEE Senior Member 1人。研究方向主要是：无线通信系统、光通信技术与物联网与智能信息处理。主要从事无线通信、光通信、以及无线与光结合等方面的研究工作。研究所所属学科拥有信息与通信工程一级学科硕士点是山西省重点建设学科。同时还有学位专业点-电子信息 (电子与通信工程方向)。研究人员多次赴新加坡国立大学、澳大利亚国立大学、新加坡南洋理工大学、加拿大卡尔顿大学、英国索尔福德大学等国际知名高校进行学术交流和合作研究。研究所已完成国家自然科学基金、国家博士后特别资助项目、教育部新教师基金等国家级和省部级项目共50余项，目前正在承担国家自然科学基金项目7项，省部级项目20项，在国内外重要学术刊物上发表论文500余篇，获国家发明专利20项。获山西省自然科学二等奖1项、三等奖4项，山西省高校科技进步一等奖2项、二等奖2项。已经建立的实验平台有：通信集成电路测试平台、通信系统电磁兼容测试平台、无线通信信道测试平台、物联网开发平台、生物电子技术开发平台、机器人开发平台。