长波红外量子级联激光器（QCL）具有波长设计灵活、体积小、寿命长等优点。目前单横模QCL较低的输出功率（1~3 W）是限制其应用的主要因素。光纤功率合束技术是提升输出功率的有效手段。然而由于长波红外波段缺少低传输损耗的玻璃光纤，使得高效率长波红外光纤功率合束的实现难度很大。本文研究了基于低损耗单模空芯光纤的长波红外激光功率合束技术。针对基横模长波红外QCL有源区尺寸大、发散角大的特点，设计了大数值孔径扩展光源双非球面准直镜，有效提高了单模光纤耦合效率。设计制备了无端面损耗的长波红外单模光纤束，光纤传输效率高达91.2%，实现了7.6~7.8 μm波段QCL的高效率合束。当4个长波红外QCL的输出总功率为2.27 W时，采用所设计的光纤耦合光学系统及制备的4×1单模空芯光纤合束器获得了1.5 W的连续输出，总合束效率为66%。此外，测量得到单根单模长波红外光纤耦合输出光的光束质量因子M²为1.2，光强分布和光束质量因子均优于QCL的直接输出激光，说明空芯单模光纤具有一定的非高斯光束模式净化作用。合束光束的传输质量因子为2.6，依然具有较好的光束质量。本文所研究的光纤合束方式对QCL的输出波长、偏振态均不敏感，且具有良好的可扩展性。实验结果表明，此方式可有效解决长波红外QCL单元器件输出功率偏低的问题。

采用光束传播法对双芯光子晶体光纤中光纤结构参数对纤芯间耦合效率的影响进行分析。首先，根据双芯耦合原理，使用最小二乘法对波导间的耦合系数等参数进行估计，明确孔间距、纤芯折射率差、中央空气孔直径比例、纤芯直径比例、空气孔直径比例和空气孔对称度等参数对双芯光子晶体光纤耦合比及耦合区长度的调节作用，提出一种基于双芯光子晶体光纤的耦合器性能粗调与微调设计方法。然后，根据这一耦合器设计方法，提出一种非对称的双芯光子晶体光纤宽带定向耦合器。该耦合器在1.31~1.55 μm区间实现了50%±5%的耦合比，带宽为240 nm，并具有3 mm的超短耦合长度。本研究成果可为光纤宽带定向耦合器的高效设计提供有意义的参考。

针对传统光栅耦合器在耦合过程中需要入射光倾斜一定角度且耦合效率低的缺点，提出了一种双层Si₃N₄减反射垂直光栅耦合器结构。基于时域有限差分法，对双层Si₃N₄薄膜结构的上、下层Si₃N₄厚度，下层Si₃N₄与光栅的距离及上、下层Si₃N₄之间的高度进行了详细讨论。分析结果表明，对于双层Si₃N₄减反射垂直光栅耦合器结构，横电波（TE）模式下在1550 nm波长处可以获得超过94%（-0.26 dB）的垂直耦合效率，3 dB带宽为107 nm（1485~1592 nm），具有良好的低损耗特性和带宽特性。同时，在现有加工工艺基础上，对该器件进行了容差分析。分析得知，当光纤光栅对准容差在-1.92~1.92 μm范围内、对准角度容差在-1.8°~1.8°范围内时，双层Si₃N₄减反射垂直光栅耦合器可以获得超过80%的耦合效率。

针对二维光栅耦合器存在耦合效率低、偏振相关损耗大、结构复杂等问题，提出了一种应用于C波段的基于绝缘体上硅(SOI)材料的新型二维光栅耦合器，该耦合器由具有45°倾角的四孔交错菱形刻蚀晶胞单位周期排列组成，采用倾斜耦合方式对耦合器的周期、刻蚀深度、刻蚀圆孔的相对位置、刻蚀圆孔半径进行优化，并对其进行仿真验证。仿真结果表明：该耦合器在1 540 nm处耦合损耗低至-2.4 dB，C波段的偏振相关损耗低于0.2 dB, 1、3 dB工作带宽分别是36、58 nm。

在空间激光通信实际应用过程中，受到对准误差的影响，单模光纤耦合效率低，需要对其进行精确校正。在理想条件下，首先分析不存在对准误差及其他影响因素时平面波-单模光纤耦合效率及高斯光-单模光纤耦合效率模型，然后分别研究了光纤横向偏移和纵向偏移两种对准误差对单模光纤耦合效率的影响。在此基础上，提出了一种基于多平面光转换（MPLC）技术提高单模光纤耦合效率的方法，数值仿真了使用MPLC将平面波转化为高斯光前后及校正对准误差前后耦合效率的变化情况。仿真结果表明：使用MPLC将平面波转换为与高斯光高度相似的光束后，耦合效率会比平面波直接耦合进入单模光纤提高18.54%；使用MPLC分别校正横向偏移和纵向偏移后，耦合效率均提升至99%以上。该方法突破了空间光与单模光模式不匹配的限制，可以有效校正对准偏移误差，对于提高空间光到单模光纤的耦合效率具有一定的理论意义。

新一代红外对抗技术中，需要将红外高峰值功率激光耦合进红外传能光纤中进行传输。针对红外宽波段、高峰值功率激光进行光纤耦合时存在的问题，设计了一种光纤端帽参与聚焦的消色差耦合光学系统，能够对高峰值功率的2.1~4.6 μm红外激光进行光纤耦合，并且光纤端帽可以提高光纤端面的损伤阈值。然后，对消色差耦合光学系统进行了详细设计，并选择了最佳三片式消色差玻璃组合ZNS/MGF2/IRG206进行设计，最终在耦合系统焦距为35 mm时，该系统对2.1~4.6 μm波段的耦合效率达到92.74%。进一步分析可知，耦合光学系统最佳的焦距范围在35~47 mm，以及焦距在40 mm时，光纤对准最大容差为60 μm。

在785 nm激励的拉曼片上传感器结构中，氮化硅片上光栅耦合器的性能直接关系到激励光的耦合效果。首先建立了光栅耦合器的二维、三维结构模型，采用时域有限差分（FDTD）仿真软件对光栅耦合器进行数值分析。以耦合效率为主要性能指标，分析了光源入射角度、光栅常数、光栅高度、填充因子和光栅刻蚀深度各参数的影响。采用电子束光刻法制备了光栅耦合器。最后，对三维全刻蚀聚焦波导光栅耦合器进行了测试。结果表明，二维波导光栅耦合器的性能最好，其耦合效率可达39.64%，三维全刻蚀聚焦波导光栅耦合器在实际测试中的耦合效率能达19.91%。光栅耦合器能有效将光耦合进波导中，在波导传感中具有潜在的应用。

为了有效简化表面光栅耦合器的制备工艺和降低制备难度, 设计了一种互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容的高效氮化硅表面光栅耦合器, 采用二维时域有限差分(2D-FDTD)算法对耦合器的结构进行了建模、优化和仿真, 计算并对比了不同结构的耦合器光谱特性。研究结果表明: 在标准绝缘体上硅(SOI)晶圆上, 借助于CMOS后道工艺, 所设计的氮化硅表面光栅耦合器在通信波长1550 nm附近的最高耦合效率为-3.36 dB, -3 dB带宽为101 nm。