模分复用系统可解决单模光纤传输容量极限与日益增长的网络容量需求之间的矛盾,受到国内外研究者的广泛关注。少模光纤模分复用系统主要是利用其中有限的模式作为独立传输信道传输信号,从而成倍提高信道的传输容量。模式转换器是模分复用系统中的关键部件,主要实现纤芯基模与高阶纤芯模的相互转换。光纤重叠光栅是一种新型的无源光学器件,长周期叠栅能实现光斑整形、模式转换,有利于模式转换器的小型化。因此对基于少模光纤长周期叠栅的模式转换器的研究具有重要的理论价值和现实意义。本文在总结国内外模式转换器研究现状的基础上,提出一种全光纤、宽带宽的基于少模光纤长周期叠栅的模式转换器,对其展开理论与实验的研究。论文的主要内容有:首先,从麦克斯韦方程出发,研究阶跃型少模光纤的传输模式及传输模式的本征方程;基于耦合模理论,推导出少模长周期光纤叠栅的两种耦合模方程;建立基于少模长周期光纤叠栅的宽带宽的模式转换器数学模型,为模式转换器的数值分析及实验研究提供了主要依据。其次,基于有限元法分析两模光纤中的传输模式,得出LP₀₁模和LP₁₁模的色散曲线;基于重叠光栅的模式转换器的数学模型,对两模光纤中LP₀₁模向LP₁₁模转换的模式转换器进行数值分析,研究叠栅中光栅的周期间隔、光栅的长度、耦合系数对模式转换器性能的影响;对单栅、重叠光栅实现的模转换器进行优化设计,分析相应的模式转换器的主要性能。然后,基于有限元法分析四模光纤中的传输模式,得出LP₀₁、LP₁₁、LP₂₁和LP₀₂模的色散曲线;基于重叠光栅的模式转换器的数学模型,对四模光纤中LP₀₁模向其它高阶纤芯模LP₁₁、LP₂₁和LP₀₂转换的模式转换器进行数值分析,研究叠栅中光栅的周期间隔、光栅的长度、耦合系数对模式转换器性能的影响;对单栅、重叠光栅实现的模转换器进行优化设计,分析相应的模式转换器的性能。最后,采用CO₂激光器刻制单栅、叠栅实现全光纤模式转换器。实验研究光栅参数对模式转换器性能的影响;分析对比单栅、叠栅实现的模式转换器的转换器效率及带宽;研究模式转换器温度特性响应。本文对基于长周期重叠光栅的模式转换器进行深入的理论和实验研究,对实现小型化、宽带化的模式转换器具有一定的参考价值。