平坦色散光子晶体光纤是一种全内反射光子晶体光纤,针对性地改变其光纤截面结构及尺寸,可很好地调整其光学特性,从而应用于各种不同场景,因此对平坦色散光子晶体的研究经久不衰。其应用可分为线性与非线性两个不同领域,前者要求信号频率在传输过程中不发生变化,后者要求信号频率被控制转换到不同的频率范围。线性应用主要应用于通信系统中,尤其是密集波分复用系统中通过增加不同频点的信道来增加传输容量。非线性应用的一个重要方向是产生超连续谱,特别是中红外超连续谱。超连续谱由于其宽频谱、高亮度及高空间相干性被广泛应用于光通信、光谱学、微观度量学、遥感及医学诊断等方面。本文基于平坦色散光子晶体光纤在线性与非线性领域的重要应用来设计光纤结构,采用有限元研究法对光子晶体光纤的光学性能进行研究,采用非线性薛定谔方程对光脉冲在光子晶体光纤中的传播进行数值仿真,最终实现了波分复用波段中用于线路与色散补偿的两种非过零的超平坦色散光子晶体光纤的设计,并数值证明了适合于长途及超宽带传输。另外,分别以二氧化硅和硒化砷为基材,设计了适合超连续谱产生的具有三零色散点的平坦色散光子晶体光纤,通过数值仿真获得了很好的近红外和中红外超连续谱效果。本文的主要研究内容和创新成果如下:1.提出一种改进型三层空气孔结构光子晶体光纤模型,设计了两种超平坦色散光子晶体光纤并应用于密集波分复用系统。在二氧化硅最小衰减波段内,其中一种光子晶体光纤具有近零、全正、超平坦色散曲线,适合波分系统中的线路传输,另外一种具有低负、超平坦色散曲线,适合于波分系统的色散补偿模块。所提出的特殊结构光子晶体光纤模型通过在位于奇数层的标准晶格间增加三个小空气孔来获得色散曲线中的第三个极值点,结合控制空气孔的填充率、光纤尺寸大小、包层中不同层空气孔直径等,使色散曲线更加趋于平坦。在波分复用系统中应用所设计的线路光纤能支持1600km超长距无色散补偿传输,若采用本文设计的色散补偿光纤进行色散补偿,能再多传输498km,此时色散补偿光纤的色散补偿效率为33倍。这种设计方法,不仅给波分复用系统带来了更大的带宽,而且减少了色散补偿模块数量,提高色散补偿效率,有效减少波分复用系统网络建设成本。这两种光子晶体光纤的研究为超长距离、超大带宽的波分系统建设提供了一条低色散补偿成本、低信号均衡成本的方案。2.考虑到传输常数及超连续谱仿真结果要以波长为自变量来呈现,从光脉冲传输常数的定义出发,结合真空中光速、波长及频率的关系,采用复合函数求导方法推导了基于波长的任意阶传输常数的通项公式。该通项公式可以为光脉冲在光子晶体光纤中传输仿真提供任意阶传输常数。3.提出了一种光子晶体光纤色散参数定量调控方法,设计具有三零色散点和平坦色散的二氧化硅光子晶体光纤,并通过调控光子晶体光纤的色散斜率来获得超宽相干超连续谱。为了让色散斜率成为数值仿真中唯一影响超连续谱形成的色散因素,本文提出了一种通过固定三个零色散点来设计不同色散斜率的光子晶体光纤的新方法。并用这种方法设计了两种具有相同三零色散点、不同色散斜率的光子晶体光纤,在此基础上,分析了不同色散斜率对超连续谱宽度及平坦度的影响规律。通过在第一零色散点附近的第一反常色散区中泵入50fs高能光脉冲,发现色散斜率小的光子晶体光纤更有利于生成更平坦、更宽的超连续谱,但需要更长的演变距离。并且发现了直接孤子频谱隧穿这种新物理机理,它源于反常色散区中自相位调制和渐减色散的失配,占优的自相位调制在时域大幅压缩第一个基阶孤子,导致其频谱被极大扩展到横跨第一反常色散区、第二正常色散区及第二反常色散区,并使其最终失去孤子特性,从而抑制红移色散波的产生。本研究为在二氧化硅光子晶体光纤中产生位于透明窗口内右侧的超宽相干超连续谱提供实验及理论依据,通过提出直接孤子频谱隧穿的概念进一步丰富了非线性光学中孤子动力学的范畴和内含,并用之产生相干超连续谱。4.设计具有三个零色散点和平坦色散的圆形硒化砷光子晶体光纤,产生大带宽、高平坦的中红外超连续谱。通过分析硒化砷的材料色散曲线、超高的非线性系数,确定设计大芯径的硒化砷光子晶体光纤来将第一个零色散点左移到4.055μm,同时使其色散曲线较平坦,并降低其非线性系数,从而操控第一个基阶孤子在孤子自频移的过程中产生直接孤子频谱隧穿。数值模拟结果表明,直接孤子频谱隧穿及其它非线性过程相互配合能将中红外超连续谱扩展到几乎整个中红外频段（2.535～16.6μm）。同时,分析了光脉冲传播长度、峰值功率、初始啁啾、脉冲时域宽度等对中红外超连续谱产生特性的影响规律,有效避免了高非线性光子晶体光纤中光波冲击和四波混频等不利因素限制中红外超连续谱的扩展,最终增加了MIR-SC的平坦范围和平坦度。