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随着大数据时代的到来;通信数据量呈现海量式增长;进一步提高光通信容量已成为光通信发展的关键。单模光纤技术经历了几十年的发展;已经难以满足当今光纤通信的带宽要求;其传输容量已达到理论极限值。为了突破单模光纤传输容量的理论极限值;光通信研究学者们提出了基于新维度的复用技术—模分复用技术。除了标量模;光纤中还存在一种新的模式;轨道角动量模式;它是由光纤本征模式组合而来;因此轨道角动量模式复用技术是模分复用技术的一种特定形式。模分复用技术;包括轨道角动量模式复用技术;已经被视为是进一步提高光通信容量非常有前景的复用技术。 与支持一个纤芯基模的单模光纤相比;少模光纤可以支持多个纤芯模式。模分复用技术以少模光纤为传输媒介;将稳定的各阶模式作为独立传输通道来传输信息;从而成倍地提高通信容量。与利用不同线偏振模式承载信息的模分复用技术相比;轨道角动量模式复用技术以不同的轨道角动量模式来承载信息;其中轨道角动量模式的生成需要利用模式转换来实现。模式转换应用于模分复用系统发送端的模式复用器前端和模分复用系统接收端的模式解复用器后端;是模分复用技术的前提和关键。螺旋光纤光栅作为一种新型光纤光栅;具有结构简单;与光纤通信系统兼容性好和模式转换效率高等特点;其用作模式转换可以灵活;高效地生成稳定的各阶轨道角动量模式。本论文结合耦合模理论与数值仿真;对螺旋光纤光栅;叠加螺旋光纤光栅和取样螺旋光纤光栅的模式转换特性作了系统而深入的研究。具体研究内容如下： (1);光纤模式的理论分析。为了更好地对螺旋光纤光栅;叠加螺旋光纤光栅和取样螺旋光纤光栅的模式转换特性进行数值仿真;本论文给出了环芯光纤纤芯模式HE/EH/TE/TM的本征方程;电磁场分布和功率详细表达式。与光纤本征模式发生简并的弱导光纤相比;环芯光纤属于一种高折射率对比光纤;其光纤本征模式不会发生简并;本论文详细讨论了环芯光纤模式退简并作用。为了清楚地揭示不同光纤模式之间的相互关系;首先本论文利用琼斯矩阵法表示了光纤本征模式和轨道角动量模式;然后以琼斯矩阵法表示的不同轨道角动量模式作为一组基;通过不同的组合形式;得到任意光纤模式的琼斯矩阵。 (2);螺旋光纤光栅模式转换特性研究。根据耦合模理论;本论文分别建立了反射型与透射型螺旋光纤光栅的耦合模方程;并分别给出了模式耦合的相位匹配条件与角动量匹配条件。为了研究反射型螺旋光纤光栅的模式转换特性;本论文给出了反射型螺旋光纤光栅的耦合模方程求解过程;得到了反射型螺旋光纤光栅的反射率解析表达式;通过数值仿真;得到了反射型螺旋光纤光栅的反射谱。为了研究透射型螺旋光纤光栅的模式转换特性;本论文给出了透射型螺旋光纤光栅的耦合模方程求解过程;得到了透射型螺旋光纤光栅的透射率解析表达式;通过数值仿真;得到了透射型螺旋光纤光栅的透射谱。 (3);复合螺旋光纤光栅模式转换特性研究。螺旋光纤光栅用作模式转换可以灵活;高效地生成稳定的各阶轨道角动量模式。以自旋-轨道符号一致的轨道角动量模式与自旋-轨道符号不一致的轨道角动量模式作为一组基;通过不同的组合形式;可以得到任意光纤模式;基于此原理;本论文研究了由周期相同;螺旋绕向相反的两个螺旋光纤光栅构成的叠加螺旋光纤光栅的模式转换特性。按照一定规律在空间上对螺旋光纤光栅进行取样;可以得到取样螺旋光纤光栅;它属于非均匀螺旋光纤光栅。传输矩阵法主要用于分析非均匀光纤光栅;因此本论文首先分别给出了反射型与透射型螺旋光纤光栅的传输矩阵;然后基于此方法;研究了取样螺旋光纤光栅的模式转换特性。