多芯光纤由于其结构的特殊性,在空分复用、光纤传感等领域具有重要应用。本文分析了不同结构参数的多芯光纤的模式特性,并重点研究了弱耦合多芯光纤在光纤传感方面的应用。一方面,系统地分析了多芯光纤的超模特性和功率耦合特性;另一方面提出了一种新型的多芯光纤传感结构,并通过仿真和实验详细研究了其在应变传感和曲率传感等方面的应用。本文的主要研究内容与创新工作包括:(l)利用耦合模理论,分析了强耦合多芯光纤的芯间耦合特性。采用光束传播法,研究了强耦合多芯光纤的结构参数对超模场分布的影响,并且分析了强耦合多芯光纤的结构参数对功率耦合特性的影响。(2)采用光束传播法对强耦合多芯光纤的模式干涉原理进行了详细地仿真研究,分析了强耦合多芯光纤的结构参数对模式干涉过程的影响。提出了一种强耦合多芯光纤纤芯间距的干涉式估算方法,根据强耦合多芯光纤的透射光谱与其纤芯间距关系,通过观测透射光谱可以估算出纤芯间距。(3)提出了一种新型的基于弱耦合多芯光纤的传感结构,该光纤结构由一段弱耦合多芯光纤与两段单模光纤组成,将多芯光纤一端偏芯熔接于输入端单模光纤,使其产生较强的包层模;将多芯光纤另一端对芯熔接于输出端单模光纤,并在溶接点处拉锥,锥形结构的引入有利于提高参与干涉的芯模与包层模之间的功率比,从而提高透射光谱的消光比。通过仿真和实验详细研究了该多芯光纤传感结构的光谱特性随不同结构参数的变化,并将该多芯光纤结构成功应用于曲率、应变等物理量的测量。同时也分析了在该结构中引入更多锥形后对该结构干涉效果的改进。