光子晶体的发现,是光和电磁波传播与控制技术方面的一个重大突破.光子晶体光纤(PCF)是光子晶体非常重要的一个应用领域.自从Russell等人根据光子禁带导光原理首次提出光子晶体光纤的概念之后,光子晶体光纤就开始成为学术界和工业界研究的热点.光子晶体光纤的包层由非常微小的空气孔阵列组成,这类似于晶体中的晶格结构,它可以看成是一种二维光子晶体,即在横截面方向上存在折射率周期分布的介质,其纤芯为缺陷区,而光纤轴向是光波传播的方向.光子晶体光纤由于具备普通光纤所不能够获得的优异性能而受到人们的广泛关注.根据光子晶体光纤导光原理的不同,可以将光子晶体光纤分为折射率导光(Index-guiding)光子晶体光纤和带隙导光(PBG.guiding)光子晶体光纤. 本文主要研究光子晶体光纤的传输特性,文中首先从经典Maxwell方程出发,分析光子晶体和光子晶体光纤的电磁理论基础,并研究了光子晶体的带隙效应;针对光子晶体这种折射率周期分布的介质材料,文中分析、介绍了有效折射率法、平面波扩展法、有限元法等常用的数值分析方法. 以包层为三角晶格结构的折射率导光光子晶体光纤是本文的研究对象之一,本文计算分析了光纤的色散特性、模场面积和非线性系数、泄漏损耗、双折射等传输特性,研究其一般变化规律.在此研究的基础上,提出了包含有椭圆空气孔的光子晶体光纤,设计获得了超低、超平坦色散曲线,并分析其双折射变化.此外,文中还首次探讨、分析了纤芯含有空气孔的折射率导光光子晶体光纤,由于其纤芯空气孔小于包层空气孔,所以纤芯有效折射率仍然大于包层有效折射率,这种光纤的导光原理为全内反射导光.通过数值计算,研究了该光纤的色散性能和损耗性能,并提出了一种新型的高双折射空气孔纤芯折射率导光光子晶体光纤. 带隙导光光子晶体光纤以其前所未有的导光方式,被誉为"真正"的光子晶体光纤.本文研究了三角形晶格结构和六边形晶格结构两种不同结构光子晶体的带隙特征.进一步的研究表明,在具有相同的空气填充率时,六边形晶格结构具有更大的光子禁带,这一结论可以通过Node-vein理论获得解释.此外,在光子晶体光纤制作过程中被发现并引起关注的空隙孔对光子带隙的影响也在文中做了相应的计算分析.文中具体分析了六边形晶格结构的低折射率纤芯光子晶体光纤,研究其模场分布,对其PBG导模有效折射率和色散曲线进行了定量的计算和仿真.由于光子晶体带隙效应的发现,人们还设想是否可以利用光子禁带将光局限在空气中传播,这就是空气导光(air-guiding)光子晶体光纤,文中分析了包层为三角晶格结构的空芯光纤(hollow fiber).文中还提出一种改进的六边形晶格结构,并以此构建新型的高双折射光子带隙光纤,其双折射大小达到了10<-5>量级. 本文还研究了用于色散补偿的光子晶体光纤设计,提出了一种三包层色散补偿光子晶体光纤,研究了光纤的模场特性,分析了各个结构参数对色散性能的影响,设计了性能平衡的色散补偿光子晶体光纤.此外,根据宽带光纤参量放大器技术的需要,还设计了高非线性、色散平坦的高折射率纤芯光子晶体光纤,并结合双泵普光纤参量放大器(FOPA)的理论分析,通过数值仿真的方法,验证了光子晶体光纤在光纤参量放大器领域的应用价值,并得到较宽波长范围内的平坦增益谱.文中还讨论了运用遗传算法(GA)来优化设计光子晶体光纤,这种从目标到设计的方法将优化算法和光纤设计有效结合,直接生成满足应用需要的光纤结构参数,减少了设计人员繁杂冗余的重复劳动.文中并以超平坦色散特性为目标,验证了此种优化设计方法的有效性.