本论文工作是围绕以下项目展开的:以任晓敏教授为首席科学家的国家重点基础研究发展计划(973计划)项目“新一代通信光电子集成器件及光纤的重要结构工艺创新与基础研究”(项目编号:2003CB314900);教育部科学技术重大研究项目“基于微结构光纤的新一代光通信器件及系统”(项目编号:104046)以及北京市教委共建项目(项目编号:XK100130437)。微结构光纤结构设计灵活,具有无截止单模传输、新奇及灵活可控的色散特性、可控的模场面积、强双折射效应等传统光纤不可比拟的特性。这些特性使微结构光纤在光通信和光纤传感等领域具有广阔的应用前景。在光通信方面,微结构光纤可用来扩展光通信的波段,可用于色散补偿、脉冲压缩、短波孤子传输、超宽连续谱发生等等。本论文着重研究微结构光纤的色散与非线性特性的理论和实验,主要研究内容及创新点如下:1.研究了商用Rsoft软件的BeamPROP模块仿真方法。用Matlab辅助设计微结构光纤端面,采用波束传播法(BPM)仿真出光束在微结构光纤中传播的色散与模式特性,处理仿真结果得到色散、非线性特性曲线。2.利用上述介绍的仿真方法,设计了一种1.55μm波段宽带色散补偿微结构光纤。该光纤具有三层不同的空气孔直径,调节各结构参量得到最佳色散补偿光纤,在100nm范围内补偿普通单模光纤(G.652),补偿倍数超过100倍;并研究了非线性与微结构光纤的结构参量之间的依赖关系;最后研究了光纤在制作过程中可能产生的低于3%的随机误差引起的色散非线性系数偏离情况。3.根据微结构光纤中脉冲传输的非线性薛定谔方程,使用分步傅立叶算法研究皮秒光脉冲在微结构光纤中的传输特性,分析能够产生超连续谱的微结构光纤应满足的色散非线性条件。4.在分步傅立叶算法仿真的基础上,利用皮秒光脉冲在光纤中的自相位调制(SPM)效应,准确测量了1550nm波长附近色散平坦微结构光纤非线性系数。通过测量输入脉冲的峰值功率和输出光谱,可以计算出微结构光纤的非线性系数。该测量方法简单准确,实验测量值与光纤的标称值误差在1%以内。5.研究了FDTD算法的优化,并给出其用于光纤设计的流程图。