基于功能材料填充的微结构光纤结合了填充材料的物理性能与光纤的微纳结构,具有设计灵活、外场调谐、易于集成和全光纤化等优点,为新型光纤光子器件的发展提供了重要的平台。本文从液晶、磁流体、金、铝等功能材料的折射率特性出发,合理设计光纤气孔结构及填充位置,研究了功能材料填充微结构光纤的模式耦合规律,并对光子器件性能进行了表征。首先,在石英基微结构光纤包层的一个空气孔中设计填充了外场调谐的折射率材料,研究了外场对纤芯模与缺陷模耦合的影响。结果表明,当功能材料填充空气孔临近纤芯时,纤芯模与缺陷模表现为完全耦合。耦合强度较高,而限制损耗谱锐度较低。当功能材料填充空气孔与纤芯较远时,纤芯模与缺陷模表现为非完全耦合。耦合强度较低,但限制损耗谱锐度较高。通过外场改变填充材料折射率,可以调节纤芯模与缺陷模间的耦合,从而可以实现光纤传感。其次,在双芯石英基微结构光纤中两个纤芯中间的一个空气孔设计填充了向列相液晶,研究了液晶的电场、温度等折射率调控性能对其偏振分束特性的影响。高折射率液晶只在两个纤芯中间的一个空气孔中填充,保证了光传导模式仍然为折射率引导型,并获得了宽带宽的偏振分束器。容差特性分析表明设计的偏振分束器在1%的制作误差范围内具有较好的偏振分束特性。然后,在单芯、双芯、三芯微结构光纤中设计填充了金金属材料,研究了表面等离子体共振效应对其偏振滤波、分束特性的影响。利用纤芯模与表面等离子体模间的级联共振效应,获得了超宽带宽的单芯微结构光纤偏振滤波器。利用表面等离子体共振效应对双芯、三芯微结构光纤纤芯超模的折射率调控性能,获得了具有高消光比、宽带宽、低插入损耗、短耦合长度等优异性能的偏振分束器。最后,在微结构光纤中设计填充了拥有低熔点的铝金属材料,研究了表面等离子体共振效应对其偏振滤波、传感特性的影响。利用相互正交偏振方向上具有显著差异的纤芯模与表面等离子体模耦合特性,获得了超短光纤长度和超宽带宽的偏振滤波器。利用分析物折射率对纤芯模与表面等离子体模耦合强度的调控性能,获得了高灵敏度和宽测量范围的的强度型折射率传感器。