星地激光通信具有高带宽通信的潜力，但大气湍流会显著影响卫星对地和地对卫星这类通信系统的能力。星地通信系统的室外实验费用昂贵且难以重现，现有的数值仿真大都基于水平均匀路径，不适用于星地链路长距离且不均匀的湍流路径，为了评估湍流对通信系统的影响，因此开发适用于星地链路的数值仿真是非常重要的。在数值仿真中，模拟湍流的相位屏数量太多会增加系统的复杂度，通过计算传统的Kolmogorov谱下相位屏为2层、3层、6层、11层以及21层时观测面光场的互相干因子并将其与理论值比较，发现三层模型能够在保证传输准确性的同时降低系统的复杂度。在此基础上，提出了地星大气激光传输三层模型，分析了不同湍流谱模型下（Kolmogorov谱与Non-Kolmogorov谱）的高斯光束辐度轮廓变化以及接收光束相干性的变化。仿真结果表明，在相同的大气条件下，与Kolmogorov谱相比，谱指数随高度变化的Non-Kolmogorov谱对传输光束的幅度以及相干性的影响更大。

绝缘体上硅光波导侧壁粗糙度引起的光损耗是限制硅基集成线路被广泛应用的重要因素之一，利用激光扫描共聚焦显微镜精确测量了SOI波导各相异性分布的侧壁粗糙度，进而将一个三维侧壁粗糙度引入到光波导传输损耗计算的传统理论模型中，获得了更加精确的模型。数值模拟表明，侧壁粗糙度与波导结构决定的相关长度与侧壁粗糙度对光传输损耗产生同步影响。用法布里-珀罗（F-P）腔调制谐振输出方法测量光波导传输损耗，测量结果与数值计算结果非常吻合，说明各相异性粗糙度分布的测量精度及其引起的光传输损耗的理论模型具有很高的可信度。一条4 μm脊宽SOI波导，当侧壁粗糙度在水平和垂直方向的平均值分别为22 nm和23 nm时，对于TE-和TM-模式，计算获得的传输损耗均为4.5~5.0 dB/cm，实验获得的平均光传输损耗为4.3 dB/cm。本文研究结果与结论对SOI光波导器件的研究与开发具有参考价值。