微结构光纤具有丰富的包层微结构和新颖独特的波导特性，为实现高性能的光纤光子器件提供了通用平台和结构基础。由于温敏液体、液晶、磁流体、光致异构分子等材料具有优异的热、电、磁、光等特性，一旦植入光纤微结构中就能够实现对光纤的传导机制、模式、耦合、色散特性、偏振、双折射等特性的外场调控。因此，开展基于功能材料植入的微结构光纤器件研究有助于理解光与物质相互作用的机理，促进新型高灵敏传感器件和有源器件的发展，不仅对现代光纤通信技术和光纤传感技术具有重要的意义，而且对生化探测、光流体科学、集成光子学的发展也将产生深远的影响。　　本文结合国家重点基础研究发展计划（973计划）、国家自然科学基金、天津市自然科学基金等项目的研究目标和内容，以功能材料与微结构光纤结构兼容与功能集成为途径，针对微结构光纤植入波导的谐振耦合机制、可调谐特性、高性能传感特性、有源器件集成等方面开展了全面、系统、深入的理论与实验研究。本论文主要的研究工作和创新性成果如下:　　1、首次提出并诠释了单孔微流材料植入的微结构光纤中双生谐振耦合现象和机制。分别从理论和实验上阐释了双生谐振耦合机制的本质、来源和产生条件，证明了几何对称结构中波导材料折射率与模式折射率的波长对应关系。利用双生谐振耦合峰对外界环境参量变化的超灵敏光谱响应实现了高达290nm/℃(739796nm/RIU)或591.84nm/N(701.204pm/με)的传感灵敏度，比传统光纤传感器高出2-4个数量级，为当时报道的光纤类传感器中的最高值。利用这种超灵敏的光谱响应以及双生谐振耦合峰相反的漂移趋势，实现了紧凑、高灵敏、多参量的全光纤传感器。　　2、提出了一种新型微流辅助的微结构光纤拍频干涉仪传感器。利用植入液芯引入的不对称结构使双模微结构光纤中LP11模式两分量的色散曲线产生分离，导致与纤芯LP01基模形成两套频率接近却又不相等的干涉。由于两套干涉频率间的细微差别，叠加后的传输光谱形成了拍频干涉效应。经过深入的理论分析和实验研究，明晰了拍频干涉中高低频分量的产生机理、传感特性以及影响灵敏度的因素。利用拍频干涉光谱中高低频分量对外界参量变化响应的显著差异，实验上获得了低频包络(高频干涉峰)-959.22pm/℃(-70.59pm/℃)和24.26nm/N(-3.14nm/N)的响应。灵敏度较普通光纤干涉仪光谱高出1至2个数量级，可应用于物理、生化领域的多参量传感。　　3、提出一种基于简化空芯微结构光纤的可控双微球激光器的新技术和新机制。首先，利用简化空芯光纤内置纳米波导实现了与微腔的高效耦合以及nJ级别的超低阈值激光器。其次，利用微环中泵浦光能量的重新分布以及荧光的传递转移，使两个微球激光器的阈值之间相互依赖，进而实现了可操控的双微球激光激射。最后，将微球激光器紧贴石英壁植入微结构空气孔中，成功实现了激光的准定向出射。这种可操控微球激光器的机制在超低阈值微腔激光器，集成光纤光子器件设计，芯片式光流体探测以及高灵敏生化传感等方面具有较大的应用潜力。