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光纤的非线性特性可被应用于光通信及医学成像等方面,但由于常规光纤的非线性系数较小,限制了相关器件的发展。而光子晶体光纤(PCF)是一种新型的光波导,它具备许多传统光纤所不具备的特性,如无截止单模特性、不同寻常的色度色散、极好的非线性效应等。同时由于光子晶体光纤的色散可以通过结构设计来进行调整,设计自由度大,从而设计出合适的零色散曲线,这对于光纤非线性特性的应用更为有利。因此,设计高非线性色散平坦光子晶体光纤并研究其应用具有重要的学术意义和应用价值。本文以结构简单的高非线性色散平坦光子晶体光纤为目标,对光子晶体光纤的结构设计、光学传输特性等进行了深入的研究。主要内容如下：1)在查阅参考文献的基础上,分析了光子晶体光纤的理论基础,并比较了现有光子晶体光纤的仿真模拟算法,选择了有限差分法结合最佳匹配层吸收边界条件分析光子晶体光纤的各种特性。2)采用减小有效截面积来提高非线性的方法。首先提出了一种空气孔直径均一的六边形PCF结构,分析了内层第一至第四层空气孔直径的改变对PCF性能的影响,利用这个设计思想,优化参数,最终设计了一种结构简单的高非线性色散平坦PCF,仿真结果显示该PCF具有较高的非线性,在1.55μm处为36.5W-1km-1,同时在1470nm～1570nm波长范围内,具有平坦色散,为-0.3ps/(km·nm)-0ps/(km·nm),泄露损耗小于10-2dB/m。然后分析了该PCF在拉曼光纤放大器中的应用。3)利用在纤芯掺杂锗离子的方法来提高相对折射率从而提高非线性的方法,设计了两种高非线性色散平坦八边形PCF,这两种PCF的区别仅在于最外层的空气孔直径不同,通过对比仿真结果分析了PCF最外层空气孔直径对性能的影响。在1.31μm波长处,获得了56.3W-1km-1的高非线性,同时在1265nm～1340nm范围内得到了小于-1.0ps/(km.nm)的平坦色散,分析了该PCF在用于牙科成像的光学相干层析成像技术(OCT)中的应用,且仿真得到了该OCT的纵向分辨率为6.0μm。