针对光纤旋转连接器(FORJ)普遍存在着结构复杂、损耗过大和转速低等问题，提出了一种高速单通道单模FORJ结构，并对其性能进行了相关的实验测试，对FORJ中光信号传输时的损耗进行了分析研究。实验结果表明：所设计的单通道单模FORJ能够在8000 r/min的高转速下传输光信号，损耗量为19.6 dB，且能承受的最大冲击载荷为20 m/s2，旋转输入轴的最大径向振幅为0.63 mm，能够适应较为恶劣的工作环境。

为了解决光纤多普勒测振仪远距离非接触测量物体振动时，信号偏弱、过零点波形凌乱、难于解调的问题，本文提出了一种新型光纤准直系统。本系统主要采用在小型C-lens光纤准直器后端增加整形系统并借助ZEMAX软件对高斯光束进行准直并优化，通过对光纤准直系统成品进行耦合测试实验，使用C-lens准直器与光纤准直系统进行信号耦合效率的测试对比。实验结果表明：改进后的准直系统能够满足2 m的工作距离，空间返回光耦合效率最大能达到6.3%，极大地提升了多普勒信号的对比度，提高了远距离光纤多普勒测振仪对振动的测量精度。

研究了一种光子带隙光纤准直器。为了降低回波对光源的干扰, 通常光纤准直器的回波损耗不应低于60 dB。由于带隙光纤端面没有反射, 因此满足这一条件的带隙光纤准直器GRIN透镜入射面的倾斜角与普通光纤准直器不同。从高斯光束通过光学系统的一般模型出发, 利用矩阵光学和高斯光束耦合理论, 推导了光线传输矩阵。结合实际应用中光纤及GRIN透镜的参数, 仿真分析了尾纤与GRIN透镜之间的间距及GRIN透镜的参数对准直器回波损耗的影响。结果表明, 镀有增透膜时, 当光子带隙光纤准直器的GRIN透镜入射面倾角等于3°时, 回波损耗大于60 dB。研究结果对进行光子带隙光纤准直器的设计具有指导意义。

大功率光纤激光光束合成系统中，由装调误差、热形变效应等引起的光束大指向误差会影响合成效果，并可能对光束合成系统造成严重危害。搭建了2 路百瓦量级自适应光纤准直器的光束指向操控实验平台，分别利用基于可变桶中功率评价函数和基于合成光束发散角评价函数的随机并行梯度下降控制策略校正了合成光束间的大指向误差，实现了功率200 W 的非相干合成，为大指向误差下的大功率光纤激光合成提供了参考。

为了实现光信号的离轴旋转连接，设计了一种新型的离轴旋转光纤传输系统。基于高斯光束传播理论，分析了大口径光纤准直器对高斯光束的扩束准直作用，利用ZEMAX 对准直器的结构和输出光束特性进行了优化。对离轴旋转光纤传输系统进行了实验测量，结果表明大口径光纤准直器输出光束在50 mm 的工作距离处能量分布满足高斯型，其束腰半径达到18 mm，远场发散角仅为5.48×10-2 mrad，在1.25 Gb/s 的信号传输速率及80 r/min 的转速下，系统的最大连接损耗为23.28 dB，整体性能满足了旋转部件之间稳定传输高速光信号的要求。

通过对现有的多通道光纤旋转连接器结构优缺点进行比较, 提出了一种轴向磁驱动多通道光纤旋转连接器结构。本光纤旋转连接器结构中旁轴通道光信号传输是通过主转动轴上光纤准直器与从动转轴中光纤准直器进行光路耦合, 其耦合实现是通过磁驱动机构及精密齿轮传动机构来保证, 中心通道光信号无间断传输是通过磁驱动机构实现。通过轴向尺寸的增加可实现通道数的增加。此光纤旋转连接器简单易行, 避免了传统结构的诸多缺陷, 简化了工艺、降低了成本。

针对硅基光波导与单模光纤在光耦合过程中存在耦合效率低, 对准难度大的问题, 提出了一种新型基于绝缘体上硅(SOI)结构的纳米光栅耦合器。运用有限时域差分法探究了纳米光栅耦合器的结构特性, 结合光纤准直器的准直原理, 系统分析了纳米光栅耦合器的结构模型。研究了入射光波长、入射角度、光栅占空比等因素对光栅耦合效率的影响, 得出了基本纳米光栅耦合器的最佳结构参数;在基本耦合光栅结构的基础上进行了改进, 增加了后反射器、增透膜和底层介质膜, 并运用Optiwave OptiFDTD 8.0软件优化了各部分结构的设计参数, 得到了优化的耦合光栅结构。纳米光栅耦合器的耦合效率提高至59.37%, 3 dB带宽达到65 nm。

自适应光纤准直器（AFOC）是一种快速、高精度调节出射准直激光束方向的新型无源光纤器件。随着其应用范围的拓展，对AFOC的谐振特性提出了更高的要求。对阶梯型减振结构改善AFOC谐振特性的方法进行了实验研究，结果表明该结构能提高AFOC的一阶谐振频率并减小谐振峰谷值。在此基础上，理论并实验研究了利用双二阶数字滤波器技术提高AFOC可用带宽的方法，实验结果表明，该方法有效地抵消了一阶谐振峰，将AFOC的可用带宽从约1.3 kHz提升至2.5 kHz。

采用分立光器件技术，设计了一种基于四光纤准直器和介质薄膜滤波片的新型可重构光分插复用器，该器件的输入、下路、上路和输出四个端口位于可重构光分插复用器的同一侧。利用 Optisystem软件，对所设计的 ROADM器件的性能及其在联网条件下的误码率和眼图进行了仿真测试。仿真结果显示：该器件的光功率损耗为 2 dB，各信道增益基本均衡；联网条件下，在传输距离为 75 km、传输速率为 2.5 Gb/s的系统中，误码率小于 10-9， Q因子大于 6，眼图清晰。该器件可以满足城域网中的传输需求。

利用光纤准直器的特殊分布, 设计出了一种新型的离轴双向传输旋转结构。该光纤旋转连接器具有两个可绕一共轴相互独立旋转的部件, 在一个旋转部件上离旋转轴等距处安装四个光纤准直器, 在另一个旋转部件上安装两个光纤准直器, 两部件上的光纤准直器在旋转过程中始终保持光耦合, 从而实现了光信号能在旋转过程中不间断的双向传输。通过分析从光纤准直器出射的光斑功率分布和系统旋转的损耗值, 在进一步提升机械性能和光耦合效率的基础上, 实现了高质量的图像和视频信号传输。实验结果表明, 在旋转部件间距小于500mm和转速小于120r/min的条件下, 系统满足1.25Gbit/s的高速率光信号的稳定传输。