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光子晶体光纤（PCF）具有结构设计的灵活性和诸多优良的光学特性,因此,光子晶体光纤无论在设计自由度还是在传输特性上都具有传统光纤无法比拟的优越性。另外,伴随着光子晶体光纤理论研究的进一步完善和制备工艺水平的逐步提高,越来越多的结构不同而功能各异的光子晶体光纤被广泛应用于滤波器和传感器等光纤器件的制备应用中,其对现代光学的应用研究价值也愈加重要。本文以光子晶体光纤为研究对象,优化设计了一种高双折射高非线性光子晶体光纤和两种新型双芯光子晶体光纤偏振分束器,利用全矢量有限元法和模式耦合理论对其相关特性进行了仿真分析与研究。本文的主要研究内容如下:1.对光子晶体光纤进行简单介绍,包括其分类、基本特性及其制备方法,在总结国内外研究现状的基础上提出了本文的主要工作安排和创新点。2.列举说明光子晶体光纤的几种常用研究方法,并重点介绍有限元法的基本原理和以该方法为基础的COMSOL Multiphysics软件的仿真分析过程;另外,本章还介绍了光波导模式耦合理论及其对应耦合方程的简单求解过程。3.设计了一种以石英为基底且具有微结构椭圆纤芯的高非线性高双折射光子晶体光纤,并采用有限元法对其相关特性进行仿真研究。通过优化结构参数,该光纤在波长1.55mm处可获得有效模场面积最小值为2.18162mm,非线性系数高达59.461km-1 W-1,双折射值为1.67910-2。该结构可同时具备优良的双折射和非线性特性,另外调整内包层竖直方向空气孔直径可灵活改变光纤的非线性和双折射特性,在实际的应用中,可以根据实际的需求来选择参数的设置使其达到研究所需的性能指标。4.提出了一种以石英为基底的光子晶体光纤偏振分束器的新型结构设计,并采用有限元法和模式耦合理论对其相关特性进行仿真研究,结果表明,提高结构中心椭圆孔的掺杂折射率、降低中心椭圆孔的椭圆率及提高6个大小相同且对称分布的大椭圆形空气孔的椭圆率均可减小光子晶体光纤的耦合长度,通过结构优化最终得到偏振分束器长度为500mm,在波长为1.55mm处消光比高达-50.87 dB,且可获得26nm消光比小于-20dB的宽带范围。5.提出了一种分别以碲酸盐和SF57为基底的光子晶体光纤偏振分束器的新型结构设计,并应用有限元法和模式耦合理论对其性能差异进行研究。分析表明,增大结构中心的椭圆率可同时提高两种双芯光子晶体光纤的相对耦合长度,而双折射基本不变。根据两种分束器的性能对比可知,碲酸盐偏振分束器具有相对较高的消光比和较宽的带宽,即在工作波长为1.55mm,光纤长度为161mm时消光比可达-59.26dB,且可获得145nm消光比小于-20dB的宽带范围。