本论文结合了国家科技部973计划、国家自然科学基金以及天津市自然科学基金等重点项目的研究内容和目标,契合当前光纤技术及光纤化器件向小型化、集成化、多功能化演进的宏观趋势和客观要求,以微结构光纤为研究对象,针对微结构光纤中光波的传导特性和模式控制及相应传感应用展开了一系列深入、系统的理论和实验研究。光纤中诸多线性、非线性光学现象和特性的根源均与光纤中的模式有关,因此深入研究微结构光纤中的模式特性及其控制机理和技术,对于阐释各种现象的深层次物理机理、挖掘光纤新特性和新应用、开发设计新技术和新结构等方面具有非常重要的意义。论文首先概括叙述了不同类型微结构光纤的发展历程、特性、应用,以及各种常用模式耦合和控制技术的原理和优劣势比较；接着论述了微结构光纤的数值分析方法和各种模式控制技术的理论分析模型；然后按照光纤模式和传导特性分析→模式激励和控制实验→机理分析→应用研究的思路分别对全固光子带隙光纤、全固态波导阵列微结构光纤、简化空芯微结构光纤、高双折射微结构光纤进行了理论和实验研究。论文主要研究工作及取得的创新性成果如下：1.在利用平面波展开法和有限元法对全固光子带隙光纤的模式特性和带隙结构进行理论研究的基础上,提出了一种基于全固光子带隙光纤上集成非绝热微锥和长周期光栅的在线式M-Z干涉仪,理论和实验研究揭示了参与干涉的模式为纤芯基模和包层LP01超模,而且非绝热微锥引起模式耦合的机理为光纤直径急剧变化下带隙的快速漂移；通过设计微锥和光栅的耦合效率,使得光栅的一个谐振峰在干涉光谱中得以保留,利用光栅谐振峰和干涉峰对弯曲和温度的响应差异,实现了对弯曲和温度的同时测量；利用干涉峰具有较高的温度敏感性,制作成温度传感器,并研究了干涉各峰的温度敏感度的差异性。2.利用紫外曝光法在全固光子带隙光纤上写制出Bragg光栅,结合错位熔接实现了前向传导的包层LP01超模与后向传导的LP01超模之间的谐振耦合,并同时获得纤芯基模与包层LP01超模的M-Z干涉,利用Bragg光栅谐振峰和干涉峰对温度的响应差异,实现了对温度的差异化传感。3.理论研究了一种新型全固态波导阵列微结构光纤的模式特性以及该光纤与单模光纤熔接时各种模式的激励效率；然后利用紫外曝光法在该光纤上写制出Bragg光栅,观察到多波长谐振现象,利用模式激励计算结果和相位匹配关系确定了各个谐振峰对应的模式耦合关系；利用光栅谐振峰的波长和幅值对轴向应变和弯曲的不同响应,实现了轴向应变和弯曲的同时测量。4.通过对新型简化空芯微结构光纤的模式和传导特性的理论分析和实验观测,论证了该光纤以及同类的耦合抑制型微结构光纤的传导机理应为反谐振波导模型和耦合抑制效应的共同作用；然后利用有限元法对不同直径下简化空芯微结构光纤的约束损耗进行了详细分析,证明了通过增大纤芯直径可以有效地降低该光纤的约束损耗,为该类光纤的结构设计和优化改进提供了理论依据。5.利用高频CO2激光打标技术成功在简化空芯微结构光纤上写制出长周期光栅,实现了纤芯基模与LP11模式的耦合,通过对比实验和相关理论揭示了光栅的形成机理应为局域性微弯而非光纤截面的变形,并利用该光栅实现了温度不敏感的轴向应变传感。6.利用简化空芯微结构光纤与单模光纤的错位熔接,制作成在线式M-Z干涉仪。通过调节光纤之间的相对位置,在简化空芯微结构光纤中选择性激发起强度相当的纤芯基模和LP11模式,并抑制了其它模式的激励,从而获得干涉对比度高、条纹间隔均匀的干涉光谱。该干涉仪被制作成为一种温度不敏感度的应变传感器。7.理论研究了不同直径下高双折射微结构光纤的相双折射和群双折射的变化,并在无气压保持设施的情况下,利用火焰扫描拉锥技术将该光纤拉锥至55μm左右,光纤结构保持良好,实现了该光纤群双折射约5倍的提升,与理论研究结果吻合良好。