本文采用理论分析和数字模拟相结合的方法研究了光子晶体光纤的色散特性，含有缺陷结构的非线性光子晶体波导的单向透射性，以及它们在器件设计上的应用。 首先利用平面波展开法，系统地研究了一种具有混合纤芯结构的光子晶体光纤的色散特性。数值计算结果表明，通过优化结构参数，这种新型结构的光子晶体光纤在通信窗口1.55μm附近可以获得带宽超过800nm的超平坦色散区域(色散曲线的变化范围不超过±0.6ps·km^-1·nm^-1)。在此基础上，我们提出了一种全新结构的双芯光子晶体光纤偏振束分裂器。不同于其它设计，这里我们采用了椭圆形空气孔的结构，能够大大地加强光纤本身的双折射特性。数值模拟结果表明，在通信波长1.55μm处，这种偏振束分裂器具有较短的分裂长度（1.651mm）和较高消光率（-20dB）的优点。在此通信窗口附近，消光率高于-12dB的带宽可以达到50nm。进一步的研究发现，对纤芯区域的掺杂能进一步缩短器件的长度，这对实现器件的高容量和超小型化具有重要意义。 其次，我们利用时间耦合模理论，研究了含有缺陷结构的非线性光子晶体波导的单向透射性，重点放在通过缺陷耦合提高单向透射的对比度上。虽然全光器件的单向透射性的物理本质来源于结构的非对称性和光学非线性效应，但我们的研究表明，基于光子晶体缺陷结构的器件最大透射对比度主要依赖于缺陷的线性耦合效应，如：耦合导致的频率分裂、频率失谐量的最高阶次数等。理论分析和数值模拟实验均显示，通过光子晶体缺陷耦合能大大提高单向透射性，这对今后基于光子晶体的全光二极管的开发、设计具有重要的参考价值。