少模长周期光纤光栅（FM-LPFG）是近年来广受关注的新型长周期光纤光栅结构。它既具有单模长周期光纤光栅（SM-LPFG）质量轻、体积小、不受电磁干扰等优点,又兼有少模光纤（FMF）的模式数目有限、低模间串扰和大基模模场面积等优点,因而在通信、传感和器件制造等方向都能得到良好的应用。本课题选择FM-LPFG的结构设计及其应用研究为题,重点研究了各类FM-LPFG传感器和模式过滤器与滤波器等通信器件。在已有的FM-LPFG理论研究的基础上,相继研究镀膜型、双峰型和薄包层型等不同结构的FM-LPFG的传感特性,设计了性能优良的FM-LPFG传感器,拓展了FM-LPFG在多参量测量、解决交叉敏感问题方面的应用潜力。此外,进一步研究倾斜型和级联型FM-LPFG的光谱特性,并将其应用于模式转换器和滤波器的设计,通过对光栅参数的讨论,提出实现器件性能优化的方法。本课题的研究聚焦于FM-LPFG在传感领域和通信领域的应用,促进了光纤光栅传感及通信技术进一步向实用化方向发展。第一章为绪论,简单回顾少模长周期光纤光栅的发展进程,重点介绍了FMF的模场分析方法和少模长周期光纤光栅的耦合模理论。综述了少模长周期光纤光栅的研究现状及应用,并通过介绍各类新型光纤光栅传感器和通信器件的研究情况,引入本文课题研究的背景与意义,给出论文的结构安排和内容。本文主要内容分为三个部分:第一部分:FM-LPFG的传感特性研究,即本文第二、三、四章第二章为镀膜少模长周期光纤光栅的传感特性研究,首先分析包层模有效折射率随薄膜厚度增加的响应特性,划分高阶模的模式垒区及非模式垒区并给出了包层模有效折射率对薄膜厚度响应的最佳薄膜厚度。其次,研究了FM-LPFG中不同纤芯模与包层模的耦合位于模式垒区及非模式垒区时的谐振特性,工作在模式垒区内的FM-LPFG传感器对薄膜参数具有更高的灵敏度,相较于非模式垒区,薄膜厚度的响应灵敏度提高了14.4倍;此外,在SRI测量领域,模式垒区对应的膜厚范围随着SRI的增加不断向膜厚增大的方向移动,且模式垒区内谐振峰具有更高的SRI响应灵敏度,相较于非模式垒区,SRI响应灵敏度提高了约5倍。第三章为薄包层少模长周期光纤光栅的SRI传感特性研究,由两层和三层结构模型计算FMF中两个纤芯模有效折射率,分析包层半径对纤芯模、包层模和谐振波长的影响,重点讨论了对于不同纤芯模而言,各个序次的包层模的截止包层半径分布情况。此外,基于耦合模理论,对薄包层少模长周期光纤光栅的透射谱和SRI灵敏度进行数值分析,讨论减小包层对SRI灵敏度的影响。结果发现,相比于高阶纤芯模而言,对应于纤芯基模的谐振峰对包层半径和SRI具有更高的响应,LP01-HE1,7耦合对应的谐振峰对包层半径的响应灵敏度约为5.76nm/μm。此外,当半径减小到50μm时,该谐振峰对SRI的响应灵敏度高达1690.00nm/RIU,高于标注尺寸的相同谐振峰的灵敏度约6倍。第四章为基于双峰谐振的少模长周期光纤光栅的SRI和温度双环境参量同时测量传感器的设计,首先介绍了FM-LPFG的耦合模方程及两个纤芯模与包层模耦合的谐振条件。其次,分析了LP01纤芯模对应的相位匹配转折点（PMTP）附近的双峰谐振效应和FM-LPFG的透射特性。发现工作在PMTP附近的FM-LPFG对环境参量的变化表现出波长变化和强度变化,而且不同谐振峰的响应灵敏度并不相同,由此基于FM-LPFG结构,结合双波长法和双参量法设计了SRI和温度双参量同时测量的传感器。该类传感器不仅能够实现双环境参量的同时测量,还具有更高的响应灵敏度,其中在双波长法中,SRI和温度的最高灵敏度可达1940nm/RIU和-0.42nm/℃,分别高于同类型传感器6倍和4倍以上。在双参量法中,强度对SRI和温度的响应灵敏度分别为-682.42d B/RIU和0.072d B/℃。第二部分:FM-LPFG的通信器件设计方法,即本文第五、六章第五章为工作在PMTP的少模倾斜长周期光纤光栅的模式过滤器设计,通过相位匹配条件,可以得到谐振波长,确定模式过滤器工作波长位置。数值模拟表明在LP11-HE1,19对应的谐振峰附近只会出现与LP11-HE1,23对应的谐振峰。在此基础上,通过分析不同光栅周期、倾斜角和光栅长度下的透射光谱,得到芯模LP01与包层模HE1,19之间的最大耦合对应的光栅参量,以及相应参量下模式过滤器的工作带宽和高阶模损耗率。理论仿真结果表明,当光栅长度在34-46mm,倾角范围80-82°时,该FM-TLPFG模式过滤器工作在1480-1550nm波段内实现对LP01纤芯模的过滤效果,在过滤后LP01模的输出光能量接近0,而LP11纤芯模损耗极小。相较于其他同类型模式过滤器,其工作带宽更宽,滤模效果更好。第六章为少模级联长周期光纤光栅的梳状滤波器的研究,提出基于少模级联长周期光纤光栅结构实现梳状滤波的设计方法,并阐述少模级联长周期光纤光栅的模式干涉机制,探讨级联段数和光栅结构参数对干涉条纹特性的影响,并通过改变间隔光纤长度,优化梳状滤波器的有效带宽,不仅提出了占空比为1:1的对称性梳状滤波器,还提出了占空比分别为1:4、1:6、1:9和1:12的非对称梳状滤波器。相比较于SM-CLPFG的梳状滤波器,基于FM-CLPFG的模式过滤器具有更多个滤波通道,由此可以设计多通道梳状滤波器。第三部分:少模长周期光纤光栅的实验探究,即本文第七、八章第七章中为了研究少模光纤的模式激发和模间干涉,通过对阶跃型两层光纤理论分析,建立FMF模式传输的数学模型,采用标量法近似计算特征方程,详细分析FMF的模式;使用光传输法讨论FMF长度和光纤对接方式对模间干涉的影响,结果表明FMF越长,干涉现象越明显,且错位量的增加也会导致干涉现象更为明显;结合模式激发理论,对光从SMF入射FMF时激发的高阶模式进行模拟分析,随着错位量的增加,纤芯基模能量愈少,不断地转化给高阶纤芯模。这为FM-LPFG的光谱测量提高了理论分析。第八章探究了FM-LPFG的刻制方法、透射谱测量方法和传感特性。首先,文中实验研究了FMF长度和光纤对接方式对模间干涉的影响,结果表明随着错位量的增加,纤芯基模能量不断向高阶纤芯模耦合,模间干涉也可以通过调节FMF长度进行消除。然后,利用CO2激光器在双模光纤中单侧写入LPFG,用于甘油等溶液的传感,在此基础上,构建SRI和温度双参量测量系统,实现对SRI和温度的同时测量,其SRI和温度最高灵敏度约为263.257nm/RIU和0.058nm/℃;并使用HF溶液腐蚀FM-LPFG的包层,实现对甘油溶液的高灵敏传感,提高SRI响应灵敏度,腐蚀前后,相同谐振峰的SRI灵敏度提高了1.64倍,最高灵敏度约为-850.80nm/RIU;最后,成功刻制不同结构的少模级联长周期光纤光栅,并通过甘油传感测量,分析少模级联长周期光纤光栅的SRI传感特性,发现同一纤芯模与包层模干涉形成的各个损耗峰对SRI的响应灵敏度近似相同。第九章为总结与展望,对论文内容进行总结,概括了本文设计的新型FM-LPFG结构的传感器、模式过滤器、梳状滤波器等通信器件的性能,同时指出本文的不足,展望了FM-LPFG未来的研究方向。虽然本文对FM-LPFG的研究还处于比较基础的探索阶段,但是在未来的研究工作中,可以通过本文的理论设计方法设计出更多类型的FM-LPFG传感器件和通信器件。