微结构光学器件在未来的光通信、光传感和集成光学中有着广泛的应用,对其进行研究具有重要的理论与应用价值。光子晶体(photonic crystal,PC)最初是由E.Yablonovitch和S.John于1987年各自从自发辐射和光子局域角度独立提出来的。它是一种介质材料呈周期性分布,变化周期是光波长数量级的特殊光学材料。光子晶体最重要的特点是存在光子频率禁带,类似于半导体中的电子禁带,频率落在带隙中的电磁波在光子晶体中是禁止传播的,利用这一特点它可以实现任意地控制光子的运动。因而光子晶体必然成为微结构光学器件材料的首选。我们在对光纤技术长期、大量研究过程中产生了“纤维集成光学系统”的一种新想法和新思路,即大量光学器件将可能共同集成在同一根光纤中,使之集多种功能于一体,成为一种全光纤化和微型化的集成型信息系统。如何把光子晶体概念更深入的引入到光纤中,对促进光纤集成技术的发展具有重要意义。本论文围绕微结构光学器件功能与特性展开深入研究,设计多种光子晶体器件,并将其引入到光纤中,验证了将光子晶体器件引入到光纤中的可行性,主要工作可概括如下:(1)首先介绍了光子晶体发展历程及应用前景,接着从麦克斯韦方程组出发,推导出微结构光学器件中光传输所遵循的特征值方程,接着详细阐述了论文研究中用到的理论计算方法:平面波展开法(PWE),时域有限差分法(FDTD),有限元法(FEM)和光束传输法(BPM)。(2)利用平面波展开法详细分析了各种结构光子晶体的能带结构特征,讨论几何参数对光子带隙的影响,重点研究了磁导率对蜂窝结构光子带隙的影响,结果表明磁性材料更易产生光子带隙。(3)设计两种新型完全带隙光子晶体异质结结构波导,研究其界面导模特性,研究左右两侧晶格结构做横向拉开和侧向滑移时对界面传导模的影响,计算结果表明,不用做任何晶格移动,两种异质结结构在绝对带隙中就有导模存在,两边晶格横向拉开对导模影响较大,而侧向滑移的影响则较小。(4)分析了介质柱排列成方形晶格时,光子晶体耦合器耦合作用长度、耦合臂间距、耦合臂间散射子形状变化对耦合特性的影响,发现耦合臂间散射子形状的微扰可以使耦合器的长度大大降低;首次设计实现了完全带隙光子晶体偏振和消偏振分束器;然后对光子晶体M-Z干涉仪进行了初步的研究,并提出光纤集成光子晶体器件的方案。(5)对于光子晶体光纤计算了各种相关光学参数,利用有限元法研究了光子晶体光纤液体传感器灌输液体后过渡区光场分布特性;并理论设计多芯光子晶体光纤耦合器功能器件,研究不同结构下纤芯间的耦合特性。(6)首次进行了单芯单模光纤与多芯光纤的拉锥耦合机理与实验研究,结果表明,单芯与多芯光纤利用拉锥法进行耦合是简单可行的,插入损耗可大大降低。