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光遗传神经修复技术以光遗传学、神经修复学和光电神经接口三类学科领域为主体,以光遗传神经刺激为核心,以部分或完全修复受损神经功能为目标,为人类神经功能失调和神经退行性疾病的治疗与恢复提供了新的科学手段。由于以上三类学科专业背景差异较大,目前对光遗传神经修复技术的研究,缺乏完整的理论模型与仿真工具。本文通过国际科技合作,研究光遗传神经修复系统多物理场耦合分析模型（OGNPS-MPCM）及其数值分析程序,实验确定模型中的核心参数,为光遗传神经修复系统（OGNPS）的优化设计提供工具。论文首先基于能量守恒定律,分析与讨论了光遗传神经修复过程中各物理场能量转化过程,提出并建立了包括光路和光植入、光遗传神经生理学和OGNPS热效应等子模型的OGNPS-MPCM,完整描述了OGNPS从电驱动到光刺激和光致神经放电、最终转化为热能的能量综合转化全过程。继而深入研究了OGNPS-MPCM数值分析算法,定义了三类数值分析模块、10个求解器及其输入/出参数,编制了计算程序。随后,论文对OGNPS-MPCM数值分析模块分别进行了实验验证、参数获取与分析。设计并开展了大鼠脑组织切片光穿透和侧向反射光实验,研究了不同光出射端在大鼠脑神经组织中形成局部光刺激及其作用区域形状,测试结果验证了光路和光植入模型,提供了光路优化参数。设计并开展了LED光探头热效应实验,测试结果验证了热效应模型,给出了热分析参数。设计并开展了光遗传神经元ChR2光电流特性实验,测试结果验证了光遗传神经生理学模型,获得了有益的参数。以上工作为OGNPS研制提供了优化设计工具。然后,提出了调节光波导出射端端面光斑实现局部光刺激位置可调的方法,基于OGNPS-MPCM程序仿真分析了该方法的可行性,证明神经元对可调光刺激响应不同,可改变光刺激截面图形分辨率。提出并研制了基于SoS-PLC型光波导的无源可调光遗传神经刺激探头,优化设计并制备出截面尺寸为17.8μm×7.8μm的探头芯片,搭建了探头芯片测试系统,测试获得该探头可选择激励TE00、TE10、TE20和TE11模,产生了位置可调、最小直径不大于5-μm、传输100μm的清晰模场光斑,与仿真结果一致。最后,提出了由GaN-μLED光电集成多探头阵列和远端、植入控制器构成的有源植入式OGNPS方案与具体结构;研制和测试了GaN-μLED,讨论了该器件光谱、发光方向、光电特性、发光效率等性能。提出了体内热限制条件下的有源植入式OGNPS和探头设计思想,基于OGNPS-MPCM程序,仿真分析了8点刺激型GaN-μLED光电集成探头,以最佳性能指标和体内热限制为目标,获得了优化设计方案。