由于激光的产生和低损耗光纤的问世，使得光纤通信和光纤传感成为现实，并在近三十年的时间内得到了飞速发展。多模光纤在未来的光纤入户、光纤传感和集成光学中有着广泛的应用，而作为多模光纤器件中的重要组成部分—单模—多模—单模（SMS）光纤结构，近年来受到了极大关注，并逐渐成为研究的热点。因此，对SMS光纤结构器件进行研究具有重要的理论与应用价值。本文围绕SMS光纤结构器件功能与应用展开深入研究，设计了多种SMS光纤结构器件，并从理论和实验的角度验证了这些器件的可行性。文章首先介绍了光纤器件的发展过程及应用领域，重点介绍了SMS光纤结构器件的研究现状及应用情况。然后，论文详细研究了基于SMS光纤结构的光纤折射率计，利用端面耦合理论对多模光纤内激励起的不同模式进行了分析，并通过实验进行测试；对影响折射率计灵敏度的因素进行了分析，在此基础上对传感器进行了优化设计，通过仿真研究和实验测试对优化方案成功进行了验证。通过对SMS结构的研究，自行设计了一种基于应变的可调谐带阻滤波器，利用光束传播法（BMP）仿真分析了这种滤波器的可行性，实验结果与理论仿真完全一致。文章第一次对有偏轴的SMS光纤结构的耦合方程进行了理论推导，并借助MATLAB软件进行了数值分析，研究了不同偏轴量下激励起的不同模式；重点研究了这种有偏轴熔接的SMS光纤结构的温度和应变响应特性，并进行了实验测试，实现了温度和应变双参数同时传感。最后，利用复合模耦合理论，第一次详细分析了SMS FBG结构的反射谱，对比分析了共轴与偏轴熔接下SMS FBG的特性，并对偏轴熔接下的SMS FBG在多参数传感方面的潜在应用展开了理论分析；在前人的基础上，首次利用金属固化胶在SMS光纤结构的多模光纤部分写入LPG，并对这种光纤光栅的特性进行了实验研究，取得了很好的实验结果。