回音壁模式(WGM)光学谐振腔具有超高的品质因数和较小的模式体积,使之在微腔激光器、生物传感以及量子物理实验等方面具有广泛应用。本文围绕光纤耦合的微球谐振腔和Bottle谐振腔的模式谱特性、热非线性效应以及模式耦合效应展开了理论和实验研究。揭示了热非线性效应的作用规律,提出了在谐振腔内获得模式耦合的方法,具体研究内容包括:(1)通过解析法和有限元仿真方法,获得了微球谐振腔和Bottle谐振腔内回音壁模式分布和谐振频率特性,分析了模式体积变化规律以及影响谐振模式Q值的因素,研究了适用于两种谐振腔的谐振波长调谐方式,并分析了锥形光纤-谐振腔在不同耦合状态下透过谱特性;(2)研究了制备具有高度一致性的锥形光纤、微球谐振腔和Bottle谐振腔的方法;搭建锥形光纤-谐振腔耦合系统,实验分析了两种谐振腔在锥形光纤耦合下激励的谐振模式分布特性及规律;(3)建立了谐振腔内热动力学模型,理论上分析了谐振腔内热非线性效应,通过实验上对不同波长扫描速度下的透过谱及透过谱上的振荡现象的验证,证明了模型的正确性;提出了一种全光的、基于热光效应的谐振波长调谐方式,并建立了谐振波长移动量与调谐频率间的响应函数,研究影响调谐频率的因素;(4)建立了描述谐振腔内模式耦合作用的方程,探讨了实现不同耦合线型的实验条件及多模耦合的作用规律;实验上通过在Bottle谐振腔内实现模式耦合效应,证明了模式耦合的产生条件,并且论证了Bottle谐振腔在锥形光纤耦合条件下更容易实现模式耦合效应,实验上最多观察到五个模式耦合作用;