提出了一种基于级联非对称Y分支的紧凑、宽带、高效的LP₀₁-LP_11a模式转换器。制作的聚合物波导模式转换器具有1.5 mm×14.0 μm的紧凑尺寸，对于C+L波段的x偏振和y偏振光，其模式转换效率大于98%，串扰小于-17.5 dB，插入损耗低于5.8 dB。所提出的模式转换器可以应用在宽带模分复用传输系统中。

模式转换器是实现模分复用技术（MDM）的关键部件。基于伴随法对器件边缘进行智能优化，从而在绝缘体上硅（SOI）平台上设计了高性能TE₀-TE₁模式转换器。经仿真验证，在中心波长1550 nm处，模式转换效率达99.6%，消光比达31.2 dB，而损耗仅为0.01 dB。在1500~1600 nm带宽范围内，TE₀-TE₁的转换效率保持在96.6%以上，消光比保持在15.7 dB以上，而损耗保持在0.14 dB以下。当器件尺寸变化在±20 nm以内时，器件在1550 nm处的转换效率保持在97.2%以上，消光比保持在16.5 dB以上，插入损耗维持在0.12 dB以下。在片上设计了TE₁模式的测试装置，并利用商业流片对转换器进行制备。实验结果表明，在60 nm的带宽范围内，TE₀-TE₁转换器的转换效率保持在90%以上，插入损耗维持在0.4 dB以下。因此，所提出的转换器具有高转换效率、宽带宽、低插入损耗和高制作容差等特点，为高性能片上模式转换器的高效设计提供了新思路。

模式转换器是片上模式复用（MDM）系统的关键器件。为在绝缘体上铌酸锂（LNOI）中实现结构紧凑的模式转换，本文提出了一种基于超表面结构的模式转换器。该模式转换器可以实现TE₀-TE₁、TE₀-TE₂的转换。为了在模式之间实现高效转换，采用逆向设计方法，结合3D电磁场仿真，优化器件倾斜周期性亚波长条形蚀刻结构参数，以同时符合沿传播方向的相位匹配要求，以及符合短耦合长度的横向方向折射率分布要求。仿真结果表明，器件在1400~1700 nm波段内，TE₀-TE₁转换的插入损耗<0.8 dB，模间串扰<-10 dB，模式转换区长度~20 μm。且该器件具有较好的高阶模式转换扩展性以及工艺容差性，是未来LNOI的高密度集成MDM系统中模式转换器的良好备选方案。

提出一种能够同时实现拉盖尔高斯光束倍频和模式转换两种功能的光学超晶格。首先，通过局域相位匹配原理设计得到了实现以上功能所需的超晶格结构函数。不同于常规的多通道周期或啁啾结构，采用局域相位匹配原理得到的是一种具有弯曲畴的超晶格结构，理论上可以减少相差并提高转换效率。其次，讨论了正反两种模式的超晶格结构，两种结构均可以实现非线性模式转换，但正向结构效果更佳。最后，对不同角向指数的拉盖尔高斯光束的模式转换过程进行数值模拟，观察转换得到的厄米高斯光束图像，验证了两种光束模式指数的关系。模拟结果表明，这样设计不仅能够实现不同特殊光束之间的相互转换，而且将倍频和模式转换两种功能集为一体，使得器件更加紧凑。该结构有望推进非线性模式转换器的研究。

长周期光纤光栅作为一种重要的光无源器件，与所有光纤传感器一样具有抗电磁干扰、耐腐蚀、灵敏度高、体积小、与光纤系统兼容等优点，在光纤传感与光纤通信领域都有广泛的应用。本文对长周期光纤光栅的模式耦合原理、理论分析方法、光栅制备技术及其在光纤传感与光纤通信领域的主要应用进行了总结分析，其中制备技术主要总结了激光制备技术（包括紫外激光、二氧化碳激光、飞秒激光制备技术）与非激光制备技术（包括电弧放电、机械微弯、包层腐蚀、熔融拉锥、离子注入、超声调制技术），分别介绍了长周期光纤光栅在温度、应变、弯曲、扭转和环境折射率、生化传感等方面的应用，对于光纤通信领域的应用则侧重于全光纤滤波器、模式转换器、起偏器、模式耦合器等方面。本文是按照教程论文的形式撰写的，旨在为相关领域的学生、科研工作者提供一个系统的介绍。

结合笼形分子（Cryptophane-E）对甲烷气体的选择性吸收特性，提出了一种基于双层薄膜的高灵敏度长周期光纤光栅（LPFG）甲烷体积分数传感器。通过减小包层直径使低阶包层模式LP₀₆工作在色散转折点（DTP）附近，并在光纤表面涂覆厚度经过优化的TiO₂薄膜，以确保包层模式LP₀₆在模式转换（MT）区内与纤芯模式LP₀₁耦合，从而显著提高了LPFG的折射率灵敏度。由于甲烷气体分子会改变最外层Cryptophane-E薄膜的材料折射率，进而改变包层模式的有效折射率，因此通过监测共振波长的移动即可实现对甲烷气体体积分数的测量。在DTP和MT效应的共同作用下，当甲烷气体体积分数从0%变化到3.5%时，所提的LPFG传感器平均灵敏度高达249.6 nm/%。此外，针对本传感器在不同甲烷体积分数下的非线性响应特征，设计了反向传播（BP）神经网络信号解调算法。研究结果表明：在甲烷气体体积分数变化范围内，其最大预测误差为0.008%，该传感器良好的性能使其在煤矿安全监测等领域具有潜在的应用价值。

太赫兹（THz）波位于微波与红外光波之间，现有微波和光波段波导技术应用正在向THz波段拓展。但是，由于水汽对THz波的强吸收及制造工艺等原因，THz器件主要是平面结构，而THz源及其传输需要用矩形波导。因此，矩形波导与共面波导之间的转换结构成为决定元件和系统性能的关键部分。该设计利用脊波导进行阻抗匹配及电磁场模式转换，实现THz波矩形波导到共面波导的高效率耦合。结果表明，在0.2~0.4 THz频段内，该转换结构的传输系数(S₂₁)高于−3 dB，可以对THz电磁场进行高效率转换。该结果可用于太赫兹分子探测、太赫兹通信等领域，为0.2 THz以上太赫兹的模式转换提供了一种可行方案。

提出了一种基于定向耦合器的双芯模式转换器，实现了基阶（LP₀₁模式）向高阶（LP₁₁模式）转换。利用有限元法和光束传播法建立了模式转换器理论分析模型，探究光纤参数对模式转换器转换性能的影响。数值模拟结果表明，当该模式转换器消光比大于20 dB时，带宽可达到320 nm，且其消光比大于10 dB，带宽达到400 nm时的转换率达99.7%。与传统模式转换器相比，该模式转换器结构简单，并且具有转换率高和宽带宽的优点，进而适合应用在光通信系统中。