随着光纤制造技术的长远发展,光纤光学已经成为光学的重要分支之一。光在光纤中传输所表现出的耦合、损耗、色散、偏振、非线性等特性引起了国内外科研工作者的广泛关注。对光纤特性的研究,有效推动了光波导理论的完善及相应光纤器件制造技术的发展。随着模间干涉理论引入到光纤光学,基于不同光纤、不同结构模式干涉仪（MI）的光纤集成光子器件在光纤激光器、光纤放大器、光纤传感器等领域相继出现且快速发展。得益于光纤损耗低、体积小、稳定性高等特性,光纤集成光子器件在传感、调控等领域展现出了旺盛的生命力。利用碳纳米管（CNT）和石墨烯等微纳材料的非线性光吸收特性,将碳纳米管和石墨烯材料与光纤模式干涉仪相结合,为光纤模式干涉仪的研究提供了新的思路。本论文以少模光纤（FMF）、铒镱共掺光纤（EYDF）模式干涉仪为中心,结合石墨烯和碳纳米管等微纳材料对结构不同的光纤模式干涉仪进行修饰,在光纤传感和全光调制滤波以及波长可调谐激光器等方向进行了详细的理论分析和实验研究。本论文所取得的创新性成果主要有以下几点:（一）提出了一种基于少模光纤级联Down-Taper结构的模式干涉仪传感器。理论上阐明了少模光纤级联Down-Taper结构模式干涉仪的干涉原理和传感机理,实验验证了少模光纤级联Down-Taper结构模式干涉仪用于折射率传感和曲率传感的可行性,以及通过控制少模光纤级联Down-Taper结构的数量调节光纤模式干涉仪曲率传感灵敏度的可行性。实验结果证明,级联两个Down-Taper结构的模式干涉仪用于折射率传感的灵敏度为-202.978 nm/RIU,相应的线性相关系数的平方为0.99276。而用于曲率传感时,当Down-Taper结构的数量由两个增加到三个、四个,其曲率传感灵敏度由-29.301 nm/m-1分别下降到-17.871nm/m-1和-5.034 nm/m-1,可以满足不同曲率灵敏度要求下的特殊曲率传感场景,拓展了该类型曲率传感器的场景适应性。（二）提出了一种基于石墨烯材料修饰的少模光纤偏芯熔接结构模式干涉仪全光可调滤波器。在理论上阐明了石墨烯/环氧树脂（GN/EP）复合材料修饰的少模光纤偏芯熔接结构模式干涉仪的全光调控滤波机理,实验验证了基于少模光纤偏芯熔接结构并用石墨烯/环氧树脂复合材料修饰的光纤模式干涉仪用于全光纤调控滤波的可行性。实验结果表明,当泵浦光功率由0 m W增加到300m W时,基于上述少模光纤模式干涉仪的滤波器实现了5.062 nm的泵浦响应波长调控范围,其泵浦响应调节步长为0.016 nm/m W。（三）提出了一种基于碳纳米管修饰的铒镱共掺光纤偏芯熔接结构模式干涉仪全光可调滤波器。在理论上阐明了碳纳米管/聚乙烯醇（CNT/PVA）复合材料修饰的铒镱共掺光纤偏芯熔接结构模式干涉仪的全光调控滤波机理,实验验证了碳纳米管/聚乙烯醇复合材料修饰前后铒镱共掺光纤偏芯熔接结构模式干涉仪用于全光调控滤波领域的可行性。实验结果表明,通过用碳纳米管/聚乙烯醇复合材料修饰铒镱共掺光纤偏芯熔接结构模式干涉仪,泵浦光功率由0 m W增加到210 m W时,上述光纤模式干涉仪的泵浦响应波长调控范围由2.363 nm提高到7.650 nm,修饰后为修饰前的3.24倍。碳纳米管修饰前后上述光纤模式干涉仪的泵浦响应调节步长由0.011 nm/m W提高到0.039 nm/m W,修饰后为修饰前的3.54倍。碳纳米管/聚乙烯醇复合材料可显著提高上述光纤模式干涉仪滤波器的泵浦响应波长可调范围及泵浦响应调节步长。（四）提出了一种碳纳米管修饰的铒镱共掺光纤级联Down-Taper结构模式干涉仪可调滤波器以及基于该滤波器的波长可调激光器。在理论上阐明了碳纳米管/聚乙烯醇复合材料修饰的铒镱共掺光纤Down-Taper结构模式干涉仪的全光调控滤波机理,实验验证了碳纳米管/聚乙烯醇复合材料修饰前后铒镱共掺光纤Down-Taper结构模式干涉仪用于全光调控滤波领域的可行性以及将上述光纤模式干涉仪滤波器引入激光腔实现激光器波长可调的可行性。实验结果表明,通过用碳纳米管/聚乙烯醇复合材料修饰铒镱共掺光纤偏芯熔接结构模式干涉仪,泵浦光功率由0 m W增加到300 m W时,上述光纤模式干涉仪的泵浦响应调控范围由1.875 nm提高到3.112 nm,修饰后为修饰前的1.66倍。基于上述光纤模式干涉仪的激光器的波长可调范围由2.137 nm增加到3.638 nm,修饰后为修饰前的1.70倍。