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在波分复用(WDM)技术的支撑下,随着光子器件发展水平的不断提高,未来通信骨干网、区域、城域和接入网将跨入WDM光网的时代,实现WDM光传送网的关键是性能优越的光器件.自从掺杂石英光纤的感光效应被发现以来,单模光纤光栅技术已经引起了极大的重视并且被广泛应用于滤波、色散补偿、光纤传感等领域当中.而在多模光纤中写入光栅则在近几年才被提出.多模光纤光栅(MMFG)具有大孔径、易耦合、可以承受较大的可恢复应变、波长调谐范围大等多项优点,更为重要之处在于具有更宽的反射谱和多个模式的滤波效应.因此,在弯路多、损耗大、多节点、光功率分路频繁的短距离通信网络系统中MMFG器件具有更多地灵活性和高性价比.本文从理论上和实验上对多模光纤光栅的制作技术、基本理论、数值分析方法、光波传输特性等方面进行了详细的研究.第一章首先概括了光网络及其关键光器件技术的发展,探讨了各类光纤光栅技术发展,分析了多模光纤光栅的研究现状及其发展方向,总结了光纤光栅技术在光通信和传感中的应用及其存在的问题.第二章描述了光纤光栅的光学特性.总结和归纳了分析SMFG的基本理论方法以及用于分析MMFG的适用度,针对MMFG多模式工作特点,提出并推导了MMFG主模式分析模型,直观反映出反射谱特性,所给出的MMFG结构参数、主模式参量与相位匹配条件的关系,为设计和确定MMFG和导波模、泄漏模、包层模以及辐射模之间的耦合奠定了基础;建立多模光纤FD BPM模型,对大孔径多模光纤过渡器进行数值分析,得出最佳的器件设计参数,为器件的设计研制提供了参考.第三章研究了准三维时域有限差分束传播法及多模光纤光栅的光谱分析.采用分离圆周角向模式群的方法,获得圆柱坐标系下的准三维时域标量束传输方程,基于ADIM和GD对准三维光波动方程进行离散化处理,建立MMFBG的数值分析模型;采用圆周模式群功率分配方案,有效分析MMF和MMFBG中的多模式光场分布;同时,研究边界条件处理和激励态对数值计算的影响,采用正弦激励源和强制边界条件对MMF和MMFBG的模拟分析.第四章研究了光脉冲在多模光纤光栅中的传输特性.推导多模光纤中角向模式群的时延和色散定义,基于光波传输方程,采用傅立叶变换和分离变量法建立了光脉冲在MMFG中的传输方程,并有效的仿真模拟光脉冲在MMFG中的传输过程;基于多模光纤光栅的色散特性,提出多模光纤光栅的色散补偿方案.第五章对多模光纤光栅的研制和性能分析进行了实验研究.介绍了多模光纤的载氢、光栅的写入和退火技术;详细描述了实验测试系统并讨论了误差分析建议;分别测试了多模光纤Bragg光栅(MMFBG)和长周期光栅(MMFLPG)的透射谱、反射谱、群时延等性能曲线;同时对在不同背景、不同曝光时间等条件对多模光纤光栅光谱的影响进行了研究.最后是全文总结和主要创新点.