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光子晶体光纤(Photonic crystal fiber, PCF)具有特殊的气孔结构和导光机制,因此在光纤传感和通信领域具有巨大应用前景。本文针对PCF特性及其传感应用,对PCF中的模式及其特性、PCF长周期光栅(Long-period grating, PCF-LPG)和PCF马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder interferometer, MZI, PCF-MZI)的特性及传感应用做了全面研究,主要内容包括以下几个方面：1.基于矢量有效折射率法研究了改变结构参数调节PCF色散的方法,发现零色散波长随占空比和比例系数变化分别有极大值和极小值的双极值特性。色散调节方法和极值特性可用于指导设计有特定色散的PCF。在800 nm附近飞秒激光器工作波长处,设计了分别具有约60 nm带宽的反常平坦色散、正常平坦色散和近零平坦色散的3种PCF。2.通过数值模拟研究了根据结构参数选择合适光栅周期指导制备PCF-LPG的方法,及优选结构参数等增强内折射率(nin)敏感特性的方法。对反共振反射型光波导PCF-LPG内折射率特性进行了研究,结果表明在高介质折射率传感领域灵敏度达到10-7 RIU/pm量级。提出并分析了PCF-LPG折射率双通道测量法：被测介质在光栅外和气孔内共同作用包层模,从而增强折射率敏感特性,制成高度灵敏的PCF-LPG折射率传感器。3.以HE11cl模为例研究PCF中包层模及其色散特性、nin特性与包层半径关系。发现半径、波长及nin变化时,环状模、HE11cl模和HE12cl模间会衍变；半径减小时,多个类似模式按相似规律变化。不同半径下同一模式的色散特性和nin特性不同；模次升高时,色散特性和nin特性整体变化和增强。发现适当减小半径可增强PCF-LPG内折射率特性。4.理论与实验研究了多种因素对PCF-MZI应变特性的影响；制作了光纤环镜反射型PCF-MZI,测试表明具有较大条纹可见度和较窄带宽,能提高分辨率,应变灵敏度为-2.53 pm/με。设计制作了具有流线型熔接区的大线径PCF-MZI,测试表明应变灵敏度为-1.77 pm/με,折射率特性很弱,此种MZI适用于折射率特性不敏感的应变传感领域。5.设计并制备了阶梯式横向大偏置结构光纤MZI折射率传感器,研究了干涉原理、谱特性和折射率敏感特性。实验结果表明此种MZI灵敏度较高,长327μm和436μm的PCF-MZI和普通单模光纤MZI的灵敏度分别为2.17*10-7 RIU/pm和3.12*10-8 RIU/pm,灵敏度随着MZI长度减小而提高。制备了横向大偏置结构PCF-MZI,理论分析了干涉原理和折射率传感机制,折射率特性测试表明长330 μmPCF-MZI的灵敏度达到6.62* 10-8 RIU/pm。两种光纤MZI适于制成高度灵敏、快速测量的折射率传感器。