随着光运算、光通信、光纤传感等领域的迅猛发展，光波导耦合结构被广泛应用在这些领域。在光运算领域，为实现更高效的运算，需进一步增大非线性效应。在光通信领域，基于对信道高隔离度的要求，需要光分插复用器实现可调谐滤波。在光纤传感领域，需要传感器将外界物理量变化调制为光强或频率变化。球形光波导被广泛用于满足上述需求。例如，球形光波导光学诱导透明引入了四波混频效应，实现了对信号光“开”和“关”的控制。利用球形光波导良好的谐振选频特性，实现了光分插复用器的可调谐滤波。多种基于球形光波导的光纤传感器，实现了将外界物理量调制为光信号。然而，非完整轮廓的球形光波导耦合效率低下，限制了其在上述领域的应用。耦合效率的降低，导致球形光学诱导透明对系统透射谱线的调制能力降低，光分插复用器无法实现精确的可调谐滤波，光纤传感器输出信号的信噪比降低。综上所述，迫切需求有效的方法提高球形光波导耦合结构的耦合效率。
　　本文针对现有研究方法中无法实现非完整轮廓的球形光波导建模分析，导致耦合效率计算不准确的问题，以及非完整轮廓的球形光波导耦合效率提升受限的问题，开展了基于势垒模型的球形光波导耦合机理研究。主要研究内容如下：
　　针对现有研究方法中无法实现非完整轮廓的球形光波导建模分析，导致耦合效率计算不准确的问题，建立了一种基于势垒模型的球形光波导耦合机理模型。该模型通过对输入光的动量本征态叠加分析，结合球形光波导的边界势垒分布，描述了输入光在球形光波导内的概率路径。结果表明，应用该耦合机理模型，可以求解具有任意径向轴心距，任意半径的球形光波导耦合结构的耦合效率。
　　针对非完整轮廓球形光波导的耦合效率提升受限问题，提出了一种基于最佳概率路径的参数优化方法。该方法通过建立耦合效率与波导内概率路径之间的关系模型，依据模型参数的特性反演出耦合参数的优化方案。对常见球形光波导轴向耦合结构耦合效率低下的主要原因进行分析，着重分析了截止区占比过大，以及在球形光波导边界光能损失严重的原因，为球形光波导耦合结构的参数优化设计提供依据。针对截止区占比过大的问题，提出对球形光波导半径和径向轴心距的优化方案。针对光在球形光波导边界透射率过大的问题，提出在球形光波导边界构建多级微台阶的优化方案。
　　为验证本文所建立的球形光波导耦合机理模型的有效性，根据本文的建模分析，编写基于MATLAB GUI的交互式程序，以实现对球形光波导轴向耦合结构的耦合效率的快速求解。同时，采用时域有限差分法对实验样本的耦合效率进行数值求解，将上述两种方法得到的结果进行对比分析，以验证本文建立的模型的有效性。为验证本文所提出的耦合参数优化方法的有效性，设计了基于机械研磨方法的球形光波导边界微台阶研磨系统，实现了对球形光波导表面微台阶的研磨加工。根据本文设计的优化方案，制作若干实验样本。搭建实验平台，对不同样本的耦合效率进行实验验证，将优化前后的耦合效率进行对比分析，以验证本文提出的优化方法的有效性。实验结果表明，与时域有限差分法相比较，本文提出的建模分析得到的耦合效率更加接近实验结果。对球形光波导半径的优化方案将实验样本的耦合效率从0.6%提高到了8.2%。对径向轴心距的优化方案将实验样本的耦合效率从2.2%提高到了5.8%。在球形光波导边界研磨加工的微台阶使半径为127.2μm的球形光波导的耦合效率从8.2%提高到了45.6%。使半径为199.8μm的球形光波导的耦合效率从0.6%提高到了39.8%。