微结构光纤将光子晶体微结构引入到光纤截面中,实现了对光的局域化和传播特性的调控。它独特的结构和特性大大地扩展了光纤的应用领域,引起了科学界研究者的极大青睐。微结构光纤中微纳尺度的空气孔结构为实现光纤与其它材料的有机结合提供了条件。将具有特殊光、电、磁、热等特性的功能材料填充入微结构光纤中,实现了光纤优异的导光特性和填充材料特殊的物理性能有机结合,进而可以调控微结构光纤的传导机制、模式耦合、双折射、色散等光学特性,对研究微结构光纤中光与填充物质的相互作用规律以及研制高性能可调控的光纤通信和传感器件具有重要意义。而且借助微结构光纤对光优良的可控特性,又能实现对材料的精确测量和实时操控,从而在生物光子学、微流动力学等领域展现出了很好的应用前景。本文结合国家973计划、国家自然科学基金以及天津市自然科学基金等重点项目的研究目标和内容,针对基于高折射率功能材料填充的微结构光纤的传导机制、模式控制、可调谐特性以及其在可调谐功能器件和传感方面的应用展开了系统深入的理论和实验研究。论文的主要研究工作和创新性成果如下：1、通过对基于高折射率功能材料填充的光子带隙光纤的传导机制、温度和弯曲特性的理论研究,揭示了光子带隙的弯曲和温度可调谐特性以及弯曲调谐特性的温度依赖性,提出将弯曲和温度调控共同作用于功能材料填充的光子带隙光纤中,实现了较没有弯曲调谐时更宽的带隙调谐范围。2、通过对实施弯曲的高折射率功能材料填充的光子带隙光纤的模式分布和模式耦合特性的理论研究,揭示了功能材料填充的光子带隙光纤中弯曲导致纤芯模式与高折射率柱模式耦合的避免相交效应。利用该效应在光子带隙光纤传输窗口中间产生窄带谐振峰,实现了超高灵敏度折射率(温度)光子带隙光纤传感器,获得的传感灵敏度高达32400nm/RIU(-13.1nm/℃),据我们所知该值是当时报道的光纤传感器中的最高值。3、通过控制高折射率功能材料填充的光子带隙光纤和单模光纤熔接时的参数,在熔接处制作了宽度18μm,高度40μm的微型空气腔F-P干涉仪,巧妙利用光纤环路结构将材料填充的光子带隙光纤的透射谱和微型空气腔F-P干涉仪的反射谱相结合,揭示了光子带隙对F-P干涉峰损耗调控的特性。利用光子带隙边界对温度的高灵敏度特性,实现了F-P干涉峰的损耗随温度-1.94dB/℃的灵敏度；利用F-P干涉峰对轴向拉力的高敏感特性,实现了3.25nm/N的拉力灵敏度。结合位于带隙边界F-P干涉峰损耗对温度的高灵敏特性和对轴向拉力的低敏感特性以及带隙外的F-P干涉峰中心波长对轴向拉力的高灵敏度特性和对温度的不敏感特性,实现了对温度和轴向拉力的双参量传感。4、理论分析了选择性填充不同折射率的高折射率功能材料以及不同的选择性填充结构的微结构光纤的模式耦合特性及模式双折射特性,揭示了纤芯模式与高折射率柱模式的耦合特性对光纤双折射特性的调控,实现了具有独特双折射特性的微结构光纤。进一步理论分析了该类双折射光纤实现的Sagnac干涉仪的光谱和传感特性,揭示了光纤的群双折射特性和传感光纤长度对Sagnac干涉仪光谱和传感特性的调控,在零群双折射波长附近可以实现很高的传感灵敏度。5、利用手动选择性填充法和CO2激光器侧向曝光法,实现了不同选择性填充结构的高折射率功能材料填充的微结构光纤,实验研究了其Sagnac干涉仪传输光谱和传感特性,揭示了具有不同群双折射特性的微结构光纤Sagnac干涉仪不同的光谱和传感特性,以及传感灵敏度对波长和温度的强烈依赖性,实现了在56.5℃时高达-45.8nm/℃(112,531nm/RIU)的温度(折射率)灵敏度,以及19.6nm/N轴向拉力灵敏度。