与集成电路芯片相比,集成光子芯片具有能耗低、速度快和带宽大等优点,在信息等领域得到了极大的关注。在集成光子芯片中,集成光波导和光学微谐振腔是最主要的器件单元。集成光波导一般用于单一芯片不同器件的互联,而光经过长距离传输后耦合进入芯片以及不同芯片之间的互联需要光纤连接。因此,光纤与集成光波导的耦合十分关键。受限于光纤和集成光波导的模场匹配,两者之间难以获得高的耦合效率。而微纳光纤,由于其具有直径灵活可控、体积小、重量轻、损耗低、光场束缚强以及倏逝场大等特点,可以解决集成光波导的耦合难题;同时,微纳光纤由普通光纤拉锥而成,具有与普通光纤无缝、无损连接等特点。结合上述特性,微纳光纤为提高光耦合效率以及增加器件集成度方面带来了新的机遇。本文从微纳光纤和集成光子器件(集成光波导和回音壁模式微腔)出发,系统而深入地分析了如何将光高效地耦合进入集成光子器件;同时,探讨了微纳光纤耦合的回音壁模式微腔在光学传感以及非线性光学方向的应用。本文主要内容如下:本论文的第一部分,主要论述高品质微纳光纤制备方面的工作。采用“火焰刷”技术制备了直径可控(<3 nm)的短腰微纳光纤和高透过率(99.4%)长腰微纳光纤,此高品质微纳光纤的制备为实现集成光子器件的高效耦合提供了强有力的保障。此外,深入研究了光纤表面粗糙度对光纤透过率的影响,用归一化表面场表述了微纳光纤的传输损耗,此概述为制备高透过率的微纳光纤提供了理论指引。本论文的第二部分,主要研究微纳光纤耦合的回音壁模式微腔在光学传感和非线性光源方面的应用。利用微纳光纤直径灵活可调和倏逝场强的特性,实现了微纳光纤与回音壁模式微腔的高效耦合;研究了微纳光纤耦合的聚合物回音壁模式微腔在光学传感方面的应用;基于单盘微腔准相位匹配和双盘微腔强耦合劈裂弥补色散两种相位匹配方式,探讨了微纳光纤耦合的铌酸锂薄膜微腔在非线性光源中的应用,上述两种相位匹配方式所观察到的非线性频率转化效率都是目前报道的最高值,为实现微腔的高效非线性频率转化奠定基础。本论文的第三部分,主要研究微纳光纤与铌酸锂波导的耦合。利用微纳光纤直径灵活可调和光场约束强的特性,提出利用微纳光纤端对端耦合反质子交换周期性极化铌酸锂波导的新思路;同时,为了防止微纳光纤受到污染以及提升器件的集成度,用充满低折射率胶的微细管对微纳光纤进行封装;利用封装的微纳光纤耦合反质子交换周期极化铌酸锂波导,两者之间耦合效率提升至93%;将微纳光纤耦合的反质子交换波导应用于上转换单光子探测器,硅基单光子探测器实现了对通信波段的单光子探测,其探测效率高达40%,同时噪声低至200 cps,并探索了微纳光纤耦合的上转换单光子探测器在量子秘钥分发的应用;进一步地,将微纳光纤端对端耦合应用于片上铌酸锂薄膜波导,实验上测得横电(TE)模式和横磁(TM)模式的耦合效率分别高达73.7%和64.8%,是目前已报道的铌酸锂薄膜波导耦合效率最高值,为铌酸锂集成光子学的工业化应用迈出关键一步。