设计了一种可用于阵列波导光栅(AWG)解调集成微系统的绝缘体上硅(SOI)基2×2多模干涉(MMI)耦合器，用光束传播法(BPM)对MMI耦合器进行了模拟。耦合器输入/输出波导采用倒锥形，多模干涉区尺寸为6 μm×57 μm。在TE偏振中心波长为1.55 μm时，器件附加损耗为0.46 dB，不均匀性为0.06 dB。在1.49~1.59 μm波长范围内耦合器的附加损耗小于1.55 dB。仿真结果表明所设计的2×2 MMI耦合器体积小、附加损耗低、波长响应范围宽、分光均匀，符合片上集成系统的要求。

根据N×N多模干涉耦合器的基本原理,确定了多模干涉耦合器的结构参数。通过分析多模干涉耦合器的输入光场与其映像间的相位关系,提出了模传输矩阵的分析方法,并用此方法分析了N×N普通干涉多模干涉耦合器、N×N相移器以及N×N普通干涉多模干涉马赫-曾德尔光开关,得到了它们的模场传输方程,分析了光开关在光场从任一输入端输入,从任一输出端输出时开关的驱动条件。用上面的方法分析了4×4光开关的结构及驱动条件。

三维集成光分束器是三维集成光学的基本功能单元,论文在理论和实验上对 三维集成多模干涉型光分束器进行了深入地研究,这些研究工作为三维集成光学 及其器件的研究和发展打下重要基础。目前三维集成光学无论是理论还是实验都 处于研究初期,今后一定会有更完善的理论结果、更多的材料及更新的器件涌现。

为了设计聚合物多模干涉MachZehnder干涉仪电光开关，对自成像理论进行了改进。 通过采用嵌入式共面波导电极，电光重叠因子从0.6510提高到0.9658。 考虑到模式色散效应，推导了时域响应的公式，并分析了开关特性。 器件总长度约为7.175毫米，开关电压为2.622 V，开关时间为29.90 ps。 3 dB的光波带宽为20 nm，插入损耗小于2.70 dB，在交叉和棒状状态下的串扰分别小于55 dB和45 dB。

单模-多模-单模光纤(SMS)结构是在光纤中实现多模干涉（MMI）的一种简单而有效方法。利用SMS对温度与轴向应变光谱响应极性相反的特性研究了其温度补偿。研究证实,选择具有适当热膨胀系数的封装材料可以实现有效的温度补偿。使用陶瓷材料可使SMS的温度稳定性达到1 pm/℃。

设计蝶形多模干涉(MMI)耦合器时,需要根据所要求的功率分割比率确定器件的结构参量。作为矩形多模干涉耦合器的特征参量的耦合长度,通过数值分析对称干涉型矩形多模干涉耦合器的成像位置而得到,从而可利用模传输分析(MPA)法的公式设计出蝶形多模干涉耦合器的理论预期结构。使用有限差分波束传输法(FD-BPM)对设计参量进行校正,并且数值算出器件实际实现的功率分割比率。针对基于SOI晶片的设计实例表明,仿真得到的蝶形多模干涉耦合器的长度较理论预期大2～4 μm,实际实现的功率分割比率较理论预期值低且器件形状越偏离矩形,其值相差越大。

在空气孔阵列型平板光子晶体多模波导中，探索了反对称多模干涉条件下的二重像特性，并基于此研究和设计了一种新型的2×2超微光功分器。通过调制多模干涉区内一对空气孔的有效折射率，可以获得任意的光功率分配比。作为示例，设计了一款3 dB 2×2光功分器，时域有限差分法的模拟结果表明，该器件不仅具有16 μm×8 μm的超微尺寸，而且具有97%的高输出效率。这种方法可以推广到M×N光功分器，在光集成回路中具有潜在的应用价值。

提出了一种基于多模干涉效应(MMI)的单模-多模-间隙-单模（SMGS）光纤悬臂梁振动传感器。采用光束传播法（BPM）对这种结构的光传输性能进行数值模拟，并通过有限元分析方法对光纤悬臂梁进行了振动模态分析，从理论上优化设计了该类光纤振动传感结构。在实验上制备了长度为22 mm的悬臂梁结构，详细研究了多模区光纤的长度对声频振动响应的影响。实验结果表明，该SMGS振动传感器在130 Hz时响应效果最好，对应的声压灵敏度为4 mV/mPa，线性相关系数为0.9962，线性度和可重复性良好，并且实验结果和理论模拟结果相符合。这种光纤振动传感器具有制备工艺简单、成本较低和灵敏度高等特点，有望应用于对某些具有特殊振动频率点的远距离振动传感。

设计了一种高效的、基于多模干涉（MMI）的椭圆型十字光波导, 通过增加模式匹配器和调整自聚焦点位置, 降低其传输损耗。COMSOL仿真表明该波导在1550 nm 波长处的透射率高达96.5%, 串扰损耗小于2×10-5, 而传统的椭圆型十字波导的透射率仅为91.2%。并且对椭圆型MMI的成像规律进行了理论分析和仿真验证, 结果表明这种新型椭圆型结构不但在1550 nm处表现出高效性, 对整个1500~1600 nm的通信波段都具有非常低的损耗(小于0.2 dB)和串扰(小于-42 dB)。这种十字光波导尺寸小、结构简单, 只需要在硅上绝缘体（SOI）基底材料上融刻一次即可实现, 制备工艺简单, 有利于节约成本和批量生产, 广泛适用于未来的集成光路。