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微结构光纤，由于其结构设计的灵活多变性及传统光纤无法比拟的优异光学特性，极大地突破了传统光纤的局限，为纤维光学带来了一场深刻变革，为光纤技术及其应用领域的发展提供了新的发展途径。近年来，微结构光纤及应用研究成为国内外关注的热点，为光通信、光传感、光器件、量子光学、生物医学等领域的发展瓶颈问题突破提供了新的契机。微结构光纤中存在的空气孔为功能材料的修饰提供了天然的通道，材料修饰的微结构光纤集材料的优异光学特性与微结构光纤灵活的结构设计于一体，为提升微结构光纤性能、扩展其应用范围及新型光器件开发提供了新的途径。本学位论文在国家自然科学基金项目和北京交通大学博士生创新基金项目的联合资助下，开展基于金属修饰微结构光纤的理论及实验研究，重点围绕着宽带微结构光纤偏振滤波器、单模圆柱矢量光束模式选择器以及高性能光纤传感器开展深入研究。取得的主要创新成果如下：
1.提出一种具有偏振滤波功能的镀金膜微结构光纤。为提高镀金膜的可行性，综合考虑增强金属表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)与减小镀金膜对光纤损耗的影响，在微结构光纤设计中将包层第二圈空气孔的一个空气孔设计成大尺寸空气孔，不仅便于镀金膜的实现，而且通过打破光纤旋转对称性，使基模的两个偏振态不再简并。通过在大空气孔内壁镀金膜，使基模的一个偏振态与金属中的等离子体波产生强烈共振，成功实现偏振滤波。研究结果表明，在波长1.31μm处，基模y偏振模损耗为2138.34dB/cm，基模x偏振模损耗为2.03dB/cm，两偏振模损耗比值高达1054.3，在微结构光纤中实现了单偏振传输，即偏振滤波功能。选取300μm光纤长度做偏振滤波器，其偏振消光比20dB对应的带宽为530nm，覆盖波长从1.15μm至1.68μm，其中最大偏振消光比高达525dB，成功实现了宽带小型化偏振滤波器。
2.首次将复合金纳米线引入环形芯微结构光纤，提出一种用于准单模圆柱矢量光束(Cylindrical vector beam, CVB)产生的复合金纳米线填充的环形芯微结构光纤。通过在环形芯微结构光纤中心空气孔填充金-石英-金复合纳米线，在波长1.3μm至1.39μm的90nm带宽的范围内，环芯中其他模式与TE01模的损耗比大于50，获得较好的准单TE01模CVB传输特性，在全光纤条件下，有效分离了环形芯微结构光纤中的模式，实现准单TE01模CVB传输。与现有利用光纤实现CVB单模传输的系统相比，该光纤不仅具有结构简单、稳定性好的优点，而且突破了难以实现单模传输及单模传输损耗高的难题。
3.提出一种用作折射率传感器的镀金膜D形微结构光纤。为使待测分析物与镀金镀充分接触，降低镀金膜制作难度，选择D形微结构光纤。通过在侧平面上镀条状金膜，增加结构自由度，通过调节镀金条宽度，提升该传感器的折射率检测范围。通过结构参数优化，该传感器实现了从1.2至1.4的非常宽的折射率检测范围，最大灵敏度可达3751.5nm/RIU，且传感器的折射率分辨率优于1×10-5RIU。所设计的折射率传感器具有比其他金属修饰微结构光纤传感器更宽的折射率检测范围，大大拓宽了该折射率传感器的应用范围。
4.首次将镶嵌金属线的修饰方式用于HC-ARF，提出一种可实现偏振滤波性能的镶嵌金纳米线的单层椭圆管空芯反谐振光纤(Hollow Core Anti-resonant Fiber, HC-ARF)。通过在水平方向的两个椭圆管各镶嵌一根金纳米线，使基模的一个偏振态与金属中的等离子体波产生强烈共振，在波长1.3μm至1.5μm的200nm带宽的范围内，高阶模及基模y偏振模与基模x偏振模的损耗比均大于100，实现了良好的偏振滤波。为降低制作难度，进一步提出一种改进型的金属修饰嵌套管HC-ARF，将椭圆管包层换为圆管包层，采用铝纳米线代替金纳米线嵌入水平方向两大圆管管壁，并在水平方向的两个圆管中分别嵌套两个小圆管，有效将单偏振单模区域扩展到320nm，覆盖波长1.26μm至1.58μm的范围。金属铝造价远低于金属金，因此，改进型金属修饰嵌套管HC-ARF具有制备难度低、单偏振单模带宽宽及成本低的显著优势，在相干空芯光纤通信系统及超宽带激光偏振光源中有较好的应用前景。
5.采用自制的掺锗芯微结构光纤，设计并制作了Sagnac型微结构光纤多功能传感器，实现了四个物理量的单独检测。实验结果表明，该传感器具有较好的压力传感特性，在压力测量范围0.4MPa到1.8MPa，获得了超高的压力灵敏度11.5nm/Mpa。此外该传感器还分别对应变、弯曲、温度敏感，在应变测量范围0με到4000με内，灵敏度为8.99pm/με；弯曲测量范围3.5m-1到6.0m-1内，灵敏度为-386.29pm/m-1；温度测量范围25℃到65℃内，灵敏度为466.18pm/℃。该多功能传感器结构简单，性能稳定，可应用于许多复杂环境中的物理量检测。
1.提出一种具有偏振滤波功能的镀金膜微结构光纤。为提高镀金膜的可行性，综合考虑增强金属表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)与减小镀金膜对光纤损耗的影响，在微结构光纤设计中将包层第二圈空气孔的一个空气孔设计成大尺寸空气孔，不仅便于镀金膜的实现，而且通过打破光纤旋转对称性，使基模的两个偏振态不再简并。通过在大空气孔内壁镀金膜，使基模的一个偏振态与金属中的等离子体波产生强烈共振，成功实现偏振滤波。研究结果表明，在波长1.31μm处，基模y偏振模损耗为2138.34dB/cm，基模x偏振模损耗为2.03dB/cm，两偏振模损耗比值高达1054.3，在微结构光纤中实现了单偏振传输，即偏振滤波功能。选取300μm光纤长度做偏振滤波器，其偏振消光比20dB对应的带宽为530nm，覆盖波长从1.15μm至1.68μm，其中最大偏振消光比高达525dB，成功实现了宽带小型化偏振滤波器。
2.首次将复合金纳米线引入环形芯微结构光纤，提出一种用于准单模圆柱矢量光束(Cylindrical vector beam, CVB)产生的复合金纳米线填充的环形芯微结构光纤。通过在环形芯微结构光纤中心空气孔填充金-石英-金复合纳米线，在波长1.3μm至1.39μm的90nm带宽的范围内，环芯中其他模式与TE01模的损耗比大于50，获得较好的准单TE01模CVB传输特性，在全光纤条件下，有效分离了环形芯微结构光纤中的模式，实现准单TE01模CVB传输。与现有利用光纤实现CVB单模传输的系统相比，该光纤不仅具有结构简单、稳定性好的优点，而且突破了难以实现单模传输及单模传输损耗高的难题。
3.提出一种用作折射率传感器的镀金膜D形微结构光纤。为使待测分析物与镀金镀充分接触，降低镀金膜制作难度，选择D形微结构光纤。通过在侧平面上镀条状金膜，增加结构自由度，通过调节镀金条宽度，提升该传感器的折射率检测范围。通过结构参数优化，该传感器实现了从1.2至1.4的非常宽的折射率检测范围，最大灵敏度可达3751.5nm/RIU，且传感器的折射率分辨率优于1×10-5RIU。所设计的折射率传感器具有比其他金属修饰微结构光纤传感器更宽的折射率检测范围，大大拓宽了该折射率传感器的应用范围。
4.首次将镶嵌金属线的修饰方式用于HC-ARF，提出一种可实现偏振滤波性能的镶嵌金纳米线的单层椭圆管空芯反谐振光纤(Hollow Core Anti-resonant Fiber, HC-ARF)。通过在水平方向的两个椭圆管各镶嵌一根金纳米线，使基模的一个偏振态与金属中的等离子体波产生强烈共振，在波长1.3μm至1.5μm的200nm带宽的范围内，高阶模及基模y偏振模与基模x偏振模的损耗比均大于100，实现了良好的偏振滤波。为降低制作难度，进一步提出一种改进型的金属修饰嵌套管HC-ARF，将椭圆管包层换为圆管包层，采用铝纳米线代替金纳米线嵌入水平方向两大圆管管壁，并在水平方向的两个圆管中分别嵌套两个小圆管，有效将单偏振单模区域扩展到320nm，覆盖波长1.26μm至1.58μm的范围。金属铝造价远低于金属金，因此，改进型金属修饰嵌套管HC-ARF具有制备难度低、单偏振单模带宽宽及成本低的显著优势，在相干空芯光纤通信系统及超宽带激光偏振光源中有较好的应用前景。
5.采用自制的掺锗芯微结构光纤，设计并制作了Sagnac型微结构光纤多功能传感器，实现了四个物理量的单独检测。实验结果表明，该传感器具有较好的压力传感特性，在压力测量范围0.4MPa到1.8MPa，获得了超高的压力灵敏度11.5nm/Mpa。此外该传感器还分别对应变、弯曲、温度敏感，在应变测量范围0με到4000με内，灵敏度为8.99pm/με；弯曲测量范围3.5m-1到6.0m-1内，灵敏度为-386.29pm/m-1；温度测量范围25℃到65℃内，灵敏度为466.18pm/℃。该多功能传感器结构简单，性能稳定，可应用于许多复杂环境中的物理量检测。