微结构光纤及其光子器件是目前光电子领域的研究热点之一,灵活的结构设计使得微结构光纤在色散、损耗、偏振、非线性以及模式控制等方面具有传统光纤所无法比拟的优势。通过填充功能材料可以进一步提升微结构光纤的性能并扩展其应用范围。本文以光导波理论为基础,同时结合耦合模理论和表面等离子体共振原理,利用有限元法对微结构光纤的基本特性进行了数值模拟,设计了几种基于微结构光纤的偏振分束器、偏振滤波器和传感器并对其性能进行了系统分析。制备了一种基于拉曼效应的液体填充负曲率反谐振空芯微结构光纤传感器,测试了不同浓度酒精溶液的拉曼谱,理论与实验相结合揭示了该器件具有良好的线性度和低浓度探测极限。论文的主要内容如下:首先,基于耦合模理论设计了两种双芯微结构光纤偏振分束器。利用有限元法数值模拟了微结构光纤几何参数对模式有效折射率、双折射和限制损耗的影响,根据耦合模理论分析了光纤中两个正交偏振模态的耦合长度和消光比随光纤几何参数和传输波长的变化规律。当两正交偏振模的耦合长度比的取值为2或1/2时可将从光纤某一纤芯中入射的光的两个偏振模态在传输一定距离后分别从两个纤芯中输出,在1.55 μm处实现了具有高消光比的偏振分束特性。其次,基于表面等离子体共振原理设计了三种金填充单芯微结构光纤偏振滤波器。通过在微结构光纤某一几何方向的气孔中选择性填充金线或涂覆金膜可以激发表面等离子体共振效应,利用有限元法数值模拟了微结构光纤纤芯模式和表面等离子体模式的有效折射率、限制损耗以及光纤几何参数对折射率曲线交叉点和损耗特性曲线共振峰的调控作用,分别实现了一种在1.31 μm和1.55 μm通信波长处带宽低至20 nm的窄带偏振滤波器和一种低损耗带宽高达1310 nm的超宽带偏振滤波器;设计了一种丙三醇填充金膜涂覆微结构光纤,由于丙三醇的温敏特性,既可以利用这种光纤制备波长范围可调的偏振滤波器,又可以通过损耗峰随温度的变化实现对温度的检测,这为偏振滤波器和温度传感器的有机结合提供了契机。再次,基于具有偏振滤波特性的丙三醇填充金膜涂覆微结构光纤,首次提出了利用同一根光纤兼容偏振滤波和温度传感性能的设想,通过分别检测x和y偏振模态在短波长处的损耗峰随温度的变化,得到了一种温度传感器。此外,设计了一种金膜涂覆的侧抛型微结构光纤,通过分析侧抛深度、金膜厚度、气孔几何尺寸和分析物折射率对损耗曲线共振峰的幅度以及相应的波长的调制作用,得到了一种具有超高波长灵敏度和幅度灵敏度的高精度折射率传感器。侧抛平面的引入不仅为金属涂覆和分析物检测提供了易操作的平台,也起到了增强表面等离子体共振效应进而提高传感检测灵敏度的作用。最后,设计了一种基于液体填充的负曲率反谐振空芯微结构光纤特异性传感检测系统。利用有限元法对该光纤在填充分析物前后的输出特性进行了模拟仿真,研究发现这种基于反谐振原理的微结构光纤具有结构简单、低损耗和传输范围覆盖可见光到近红外波段的优势。基于光作用在分析物上产生的特异性拉曼光谱并利用空芯光纤具有的低拉曼背景干扰特性,采用后向信号收集方式搭建了一种拉曼传感实验系统。利用该系统测试了向微结构光纤中填充空气、甲醇、乙醇、异丙醇以及一系列低浓度酒精溶液时的拉曼谱,理论与实验的结合验证了该系统在定性和定量检测方面的优势,并得到了低至0.075 vol.%的探测极限。本研究为研制高灵敏度可持式光学传感器奠定了坚实的基础。