光子晶体光纤是当前国际研究的一个热点，研究内容包括光子晶体光纤结构设计、特性表征和应用探索。随着制作技术的改进和提高，各种结构的光子晶体光纤已经成功制备，并且光传输损耗也逐渐接近传统光纤。光子晶体光纤的快速发展为其进一步应用奠定了基础。根据导光机理的不同，光子晶体光纤包括折射率导引型光纤和带隙型光纤。光子晶体光纤的包层由周期性排列、单元间距在波长量级的微孔与石英玻璃形成的二维光子晶体构成，纤芯可以是实芯玻璃棒，还可以是一个大的空气孔。和传统光纤相比，光子晶体光纤呈现出一些奇异的性能，如无止境单模、可调节的色散特性、单模大芯径、高双折射、高非线性等，这也为光子晶体光纤在光通讯和光纤激光器以及其他光子技术领域提供了广阔的应用空间。 我们围绕实现新型光子晶体光纤主要开展了三个方面的工作：一是光束整形光纤设计；二是光子晶体光纤的色散特性研究；三是计算了不同结构空芯光子晶体光纤的包层光子能带结构。对于上述三方面的研究，主要结果可以归纳如下： 1.首次提出了光束整形光纤的概念，并将设计方法应用于光子晶体光纤和传统的阶跃型光纤。对光束整形光纤的场分布以及结构参数对整形效果的影响进行了分析，分析了光纤实现光束整形的机理。 在实芯光子晶体光纤或阶跃型光纤的纤芯引入一个低折射率的内纤芯，当折射率分布函数与结构参数相匹配时，可以获得具有整形效果的单模场分布，如平顶、凹陷或凸起，凹陷或凸起程度可以进行控制。另外光场形状也可以根据预先设计，成为四边形、六边形、三角形或圆形。 光束整形光纤的内纤芯折射率大小随激光波长、结构参数而变化，确定其大小是获得具有整形效果光场分布的关键。在论文中论述了光纤的折射率分布函数随激光波长、单元间距、空气孔大小与单元间距的比例、内纤芯的相对大小等因素的变化关系。 不论是光子晶体光纤，还是阶跃型光纤，全内反射仍是光束整形光纤实现导光的物理机理。光波在纤芯区传播过程中，由于内纤芯折射率低于外纤芯，因此光波在内外纤芯的界面处会不断发生反射和折射，实现光束能量的再次分配，最终形成具有整形效果的光场分布特征。 2.对周期结构单元为空气孔或玻璃圆环以三角形结构或方形结构构成的实芯光子晶体光纤的色散特性进行了研究，分析了单元结构、单元间距、空气孔与单元间距的比例对色散特性的影响，并对这四种光纤的色散特性进行了比较。 光子晶体光纤的色散曲线受单元结构、单元间距、空气孔大小与单元间距比例共同影响。对于由圆孔-石英玻璃构成的光子晶体光纤结构，当结构参数相同时，三角形单元的零色散位置相对于方形单元更偏向于短波。对于由圆环-石英玻璃构成的光子晶体光纤，方形单元的零色散位置与三角形单元的零色散位置相近，略微偏向短波。零色散位置主要由包层空气填充率决定。当结构参数相同时，由圆环构成的光子晶体光纤在可见光以及近红外区域更容易出现两个零色散位置，两个零色散点间的距离相对于圆孔构成的光子晶体光纤要短。圆孔、三角形单元的光子晶体光纤比方形单元结构具有更短的零色散波长；圆环、三角形单元的光子晶体光纤比方形单元结构具有更长的零色散波长。空气孔与单元间距比例一定时，单元间距越大，色散曲线越平坦。 3.对空气孔与玻璃或玻璃圆环以三角形单元或方形单元构成的空芯光子晶体光纤的光子能带结构进行了研究，给出了不同结构光子晶体光纤的光子能带结构，分析了单元结构、单元间距、空气填充率对光子带隙位置、光子能带宽度的影响。 这四种结构的光子晶体光纤的光子能带结构各不相同。根据空气芯光子晶体光纤导光的物理机理，“空气线”贯穿的光子带隙才是可以被利用的光子带隙，我们关心的是低阶光子带隙随结构参数的变化情况。 对于由空气孔与石英玻璃以三角形格子构成的包层结构，光子带隙相对宽度仅决定于空气填充率。空气填充率越高，光子带隙越宽，光子带隙边沿向短波方向移动，光子带隙宽度随空气填充率线性增加。空气填充率相同时，随着单元间距增大，光子带隙边沿向长波方向移动。通过合理选择单元间距和空气填充率，就可以调节光纤的中心波长和光谱宽度。 对于由石英玻璃圆环以三角形格子构成的包层结构，空气填充率越商，光子带隙越窄，光子带隙相对宽度随空气填充率线性降低。和空气孔与石英玻璃构成的光子晶体结构截然不同的是，空气填充率越高，光子带隙边沿短波方向移动。空气填充率相同时，单元间距越大，光子能带边沿越向长波方向移动。 对于由空气孔与石英玻璃以方形格子构成的包层，空气填充率越高，光子带隙边沿越向短波方向移动，光子带隙的相对宽度线性增加，结果与单元以三角形排列方式类似，但在单元间距、空气孔大小相同时，方形格子结构的光子带隙位置更靠近长波，这主要是由空气填充率大小决定的。 对于石英玻璃圆环以方形单元构成的包层结构，光子带隙宽度在几个纳米范围，相对较窄。我们研究了形成导光的低阶光子带隙时，可能的单元间距随空气填充率的变化情况。对于特定波长，单元间距大小随空气填充率指数增加，而单元间距范围在95％左右达到最大。