光子晶体光纤(PCF)由于其深刻的物理背景和重要的应用价值而受到广泛关注,成为光纤光学研究领域的一个新热点。PCF以其独特的结构和优异的性能,为光纤通信等高新技术领域提供了一种新型的光传输介质和光器件。随着PCF的理论研究、制造技术、性能测量和施工技术等工作的不断深入和完善,PCF将会成为光纤通信等系统中性能优良的光信号传输、处理、变换的新一代光子器件。本论文选题于国家973课题:“基于光子晶体光纤的光电子功能器件的创新与基础研究”。课题的主要目标包括:揭示光子晶体光纤中新的调谐机制及非线性机理;研制出各种基于光子晶体光纤的通信光电子器件;研制出基于光子晶体光纤的集成光纤器件等。本文以光子晶体光纤及相关光纤器件为主要研究对象,从课题的目标出发,主要进行了以下几个方面的研究工作,并取得了若干创新性成果:1.文章首先介绍了光子晶体光纤常用的数值模拟方法,其中详细讨论了有限元方法的基本思想与基本分析步骤,并推导了本征方程,基于磁场波动方程的泛函变分理论推导了在三角形边单元下,有限元方法的基本公式,以及PML边界条件的引入。并利用有限元法对空气孔孔径渐变光纤的模式和传播常数进行了数值分析。2.利用有限元法分析结构不规则的光子晶体光纤的模场分布,计算了由于空气孔位置偏离和空气孔变形两种不规则情况导致的光纤双折射,并给出了由于PCF结构不规则所造成的双折射与结构不规则比率、光纤结构参数之间的关系,数值模拟所得结果对低双折射光子晶体光纤设计制作具有一定指导意义。3.采用F-P腔结构研究了包层泵浦掺Yb3+光子晶体光纤激光器的输出特性。在以二向色镜作为腔镜的实验中,获得了斜率效率57%,波长1074.5nm,功率为2.65W的稳定激光输出;而以二向色镜和光纤端面构成F-P腔的实验中,最高获得了输出功率为11.69W的激光输出。且得到的激光光谱的线宽非常窄,显示出这类光纤激光器的优异特性。实验研究中,虽然采用的是大模场面积光纤,但是由于光纤的优越限模作用,激光器仍为单模运转状态。我们还研究了该包层泵浦掺Yb3+光子晶体光纤的放大特性,虽然输出结果并不理想,但是我们反复试验摸索出的光子晶体光纤端面按角度磨制抛光方法为今后光子晶体光纤放大器的成功研制奠定了很好的基础。4.采用TFB耦合的方法,研制了全光纤化的包层泵浦Er3+-Yb3+共掺光纤放大器,采用前向泵浦和后向泵浦时所得的输出功率分别为80mW和50mW(信号光功率约为10mW,1556.84nm)。实验表明采用后向泵浦的方式能获得更好的增益平坦度。5.对基于非线性色散位移光子晶体光纤的全光波长转换进行了理论和实验研究。首先从理论上分析了四波混频发生的条件,并计算了给定光纤的满足四波混频相位匹配条件的泵浦光波长范围,从理论上指导实验选取合适的泵浦光源。在实验上提出了实现基于FWM的波长转换方案,以可调谐脉冲激光器作为泵浦光,利用光子晶体光纤FWM效应对固定波长的信号(1554.42nm、1537.2nm)进行了高效宽带波长转换器的实验研究。在实验光路中,利用光纤环形器和光纤环镜使光在光纤中往返传输,从而增加了非线性作用距离。实验使用仅20m长,非线性系数γ=11(Wkm)-1,零色散波长在1550nm附近的光子晶体光纤便获得了高的转换效率。当信号光波长分别为1554.42nm、1537.2nm时,在波长范围50nm均实现了最高波长转换效率分别为-15dB、-7dB的全光纤波长转换。实验还研究了泵浦功率对转换效率的影响。