光纤光栅是一类重要无源型光器件,是光纤通信、光纤传感、光信息处理等系统中最具实用价值的光器件之一。长周期光纤光栅(Long-PeriodFiberGrating,LPFG)能够将光从纤芯模耦合到包层模,它作为高灵敏度的光纤传感器和无源光器件在光纤传感和光纤通信领域中得到了广泛的应用,如光放大器、滤波器、光纤激光器、模式转换器等。现在,随着大数据技术的高速发展,人们提出了空分复用(SpatialDivisionMultiplexing,SDM)、模分复用(ModeDivisionMultiplexing,MDM)等多种通信方式以扩大日益剧增的的通信容量,而LPFG在其中发挥着巨大的作用。社会的发展和技术的进步对光纤光栅提出了新的需求,基于特种光纤光栅的研究以及基于此的各种新型光器件在新一代光纤通信和光纤传感系统中有重要的意义。本论文实验研究了螺旋长周期光纤光栅(HelicalLong-periodGrating,HLPG)的制备,并利用二氧化碳激光制备出两种类型的HLPG,即螺旋结构型长周期光纤光栅(StructuretypeHLPG,S-HLPG)和螺旋折变型长周期光纤光栅(IndextypeHLPG,I-HLPG)。随后对所制备HLPG的耦合特性和传感特性进行了实验研究,并在此基础上探索了它们在光纤通信和传感领域的应用。本课题的研究为不同特性LPFG的制备提供了一种新的方法,对HLPG的进一步应用具有重要价值。本文主要研究工作及相应研究成果有:(1)在单模光纤(Single-modeFiber,SMF)上成功制备出两种不同类型的HLPG。首次提出一种简单的整体成栅法来制备S-HLPG,该方法减小了对精密机械设备的依赖,极大提高了HLPG制备的稳定性。(2)实验研究了所制备HLPG的传感特性和耦合特性,发现S-HLPG对弯曲、应力以及扭转极度敏感。实验中,弯曲灵敏度为14.69nm/m-1,是普通LPFG的2倍以上。扭转和应力灵敏度分别为0.21nm/rad/m,1.6pm/με,都比普通LPFG高出一个数量级。因此,S-HLPG可以作为高灵敏度的扭转和应力传感器。实验制备的I-HLPG也具有比普通LPFG更高的应力和扭转传感特性。另外,实验中通过观察了I-HLPG的模场分布,发现I-HLPG将纤芯模耦合到非对称包层LPlncl模,实验结果与理论分析一致。(3)为了进一步提高扭转灵敏度并同时减小温度等交叉敏感的影响,本论文提出了一种基于两模光纤(TwoModefiber,TMF)的HLPG扭转传感器。该传感器具有三个特性:①对温度不敏感,其温度灵敏度为23.9pm/℃,仅为普通LPFG的三分之一。②对扭转极度敏感,其扭转灵敏度为0.47nm/rad/m,是SMF-HLPG扭转灵敏度的2倍,是普通LPFG扭转灵敏度的10倍以上。③能同时测量扭转的大小和方向。因此,该扭转传感器在实际应用中具有较好的前景。(4)提出基于SMF-HLPG-TMF和TMF-HLPG两种结构的模式转换器。对于SMF-HLPG-TMF结构,入射纤芯模LP_(01)~(co)被耦合到包层模LP1ncl模,由于TMF的纤芯直径大于SMF的纤芯直径,因此部分Lp1ncl模将进入TMF并转化为LP_(11)~(co)纤芯模式传播。因此,SMF-HLPG能在多个波长激发出TMF的LP_(11)~(co)模式,可以应用为多波长模式转换器。在TMF-HLPG结构中,利用纤芯模LP_(01)~(co)和LP_(11)~(co)之间的耦合,实验也能在TMF中实现从LP_(01)~(co)模式到LP_(11)~(co)模式的转化。综合TMF-HLPG高扭转敏感性,通过扭转光栅,TMF-HLPG可作为波长可调谐模式转换器。而且,由于HLPG的折射率螺旋调制会为其耦合引入π/2相位差,通过HLPG可以直接产生光轨道角动量(Orbitalangularmomentum,OAM)光束,因此,HLPG可作为光纤OAM模式转换器,在光纤通信,特别是MDM通信领域具有重要意义。