光纤器件一直以来都是光纤通信技术和光纤传感技术中的研究热点。将多条光路或多个功能单元集成于一根光纤的纤维集成光器件侧重于纤维集成,具有结构紧凑、功能多样以及便于与现有光纤网络相连等优点,在全光网络的构建中具有不可替代的重要作用。光纤热扩散技术是实现纤维集成光器件的重要方法之一,具有适用范围广、操作简便、保持光纤外径尺寸和良好机械强度等优点,有利于发展功能复杂的新型纤维集成光器件。光纤热扩散研究通常局限于较低程度热扩散,缺乏更加深入细致的探讨。光纤热扩散在光纤轴向以及径向两个自由度上诱导的折射率变化能够在光纤内部构建复杂的、平缓过渡的三维折射率结构,从而实现光场变换、模场耦合、光路交互和模场适配等功能。本文探讨了光纤热扩散技术在纤维集成光器件领域的应用潜力,主要通过仿真分析的方式研究了基于光纤热扩散技术的模场适配器、光纤微透镜和多芯光纤分路器。本论文主要包括以下研究内容:1.理论推导了光纤中掺杂物质在高温条件下的热扩散过程,并进行了仿真结果验证。在维持光纤外径尺寸不变的情况下,由于内部掺杂物质的热扩散运动,光纤折射率分布逐渐演变为高斯函数形式。单根光纤的热扩散效果表现为传输模场的扩展,多段光纤的热扩散效果表现为在光纤内部构建复杂的、平缓过渡的三维折射率结构。足够缓变的梯度温度场中,热扩散重塑的三维折射率过渡区可以实现光纤内传输模场的绝热转变。以多种光纤为例展示了光纤折射率分布的热扩散演变过程。2.利用光纤热扩散技术,提出一种三明治结构的模场适配方案,可实现各种特种光纤与普通单模光纤之间的超高效率基模场适配。双包层光纤作为桥接光纤用于连接特殊模场光纤与单模光纤。双包层光纤经过专门的参数设计,一方面,双包层光纤与单模光纤的基模场几乎完全一致;另一方面,经过适度的热扩散后,桥接双包层光纤与待适配特殊模场光纤的折射率分布实现匹配。掺杂剂热扩散在光纤内部构建平缓变化的三维折射率过渡区。热扩散区域以特殊模场光纤-双包层光纤熔接点为中心,特殊模场光纤的基模场通过该过渡区绝热地转变为双包层光纤的基模场（等同于单模光纤的基模场）。3.提出了使用简单阶跃折射率光纤制备梯度折射率光纤微透镜、微透镜组和微透镜阵列的方案。阶跃折射率多模光纤经过适度热扩散后能够等效于梯度折射率光纤,以此为基础制备正径向梯度热扩散光纤微透镜,等效于自聚焦光纤微透镜。另一种反径向梯度折射率分布的热扩散光纤微透镜能够用作光纤微凹透镜。热扩散光纤微透镜为纤维集成光器件尤其是全光纤器件的制备提供了更多光纤微透镜解决方案。4.构建了梯度折射率双透镜系统,将同轴传输、相隔很近的多芯光纤各个纤芯通道的光同轴分离,并分别耦合到独立的多根单模光纤中,可实现低损耗、低串扰的多芯光纤分路器。分别用光束传输法和光线传输矩阵模型验证了双芯光纤和单模光纤之间的高效分束连接。微调透镜间隙能够对光学组件参数失配进行补偿,同轴组装有利于结构紧凑、操作简便的多芯光纤分束器制备。