在光通信和光传感系统中,具有复杂结构及其特殊性质的光纤光栅以及各种基于光纤光栅的有源和无源器件有着非常重要的应用。与此同时,成熟的紫外光写入技术可以实现各种复杂光栅的制作。所以,为了合成各种光栅,迫切地需求发展强有力的光栅设计工具。这些设计工具可以从特定的频率响应(例如:光谱的幅值和相位)来逆向实现光栅的合成或者重构。也就是说,设计工具必须能从满足应用要求规定的频率响应来逆向解出光栅的本征参数(例如:光栅上的折射率调制和相位调制)。此外,设计工具本身又能用于光栅制作期间和制作以后光谱特性的表征和判断。　　三角形反射谱光纤布拉格光栅( TS-FBG)由于其反射谱具有三角形状和线性边沿,可以作为边沿滤波解调器及传感器,特别适用于高灵敏和高分辨光学传感系统,因此,TS-FBG的合成问题成为近年来的研究热点。然而,基于目前的合成方法设计的光栅结构复杂、反射谱的边沿线性度较差。本文首先研究了TS-FBG本征参数的合成问题,进而对基于非均匀光栅的分布式传感解调(即传感参数的合成问题)进行了深入研究。全文主要包括以下几方面的研究内容:　　首先,将离散层波法和常数变异的量子粒子群优化算法相结合,本文提出了一种新的混合方法用来设计对称反射谱光纤布拉格光栅。在该混合算法中,离散层波法是用来产生折射率调制的初始范围,以便于提高算法的收敛速度。然后,在量子粒子群优化算法的基础上,加入变异因子和自适应的压缩-扩张因子,从而提高了算法的搜索性能。此外,在适应值函数中引入加权因子来加快算法的收敛速度。数值仿真的结果表明这种混合方法相比现有其他算法在 TS-FBG的参数合成方面更快更有效;设计的大带宽光栅具有较短的光栅长度和免啁啾的结构,从而可以大大简化光栅的制作工艺;通过该方法也可以设计免采样的多通道光栅,我们对其进行了详细研究。　　其次,基于离散层波法和复数变异的量子粒子群优化算法,本文提出了一种新的混合方法来设计直角三角形布拉格光栅。首先,通过离散层波法合成光栅的耦合系数(它是与光栅的结构参数、折射率调制和相位调制相关的参数)初始值。由于量子粒子群优化算法可以在整个复数空间搜索优化参量,可以利用复数变异的量子粒子群优化算法有效地优化光栅耦合系数,复数变异的引入同样可以大大提高搜索性能。数值仿真的结果证明,通过这种混合算法合成的光栅,其反射谱的边沿线性度很好,并且与目标反射谱吻合度非常高。传统合成方法较难同时达到这两点。　　以此为基础,本文提出了一种合成多通道直角三角谱光纤布拉格光栅的新途径。这种途径一共分为三步:(1)采用自适应复数变异的量子粒子群优化算法合成单通道直角三角谱光纤布拉格光栅,自适应复数变异因子的引入进一步提高了算法的搜索性能,并且利用较短的光栅长度就可以使合成光栅的反射谱具有很好的线性边沿;(2)采用一种多通道光栅的制作方法重叠写入。但由于子光谱之间的干涉效应会生成带有畸变反射谱的多通道光栅;(3)通过第一步提出的优化算法优化畸变反射谱对应的耦合系数。仿真结果表明:合成的多通道光栅仍然具有较短的光栅长度,除此之外,还具有简单而较低的折射率调制,从而可以避免在光栅制作中光纤光敏性的饱和。　　在开展以上研究工作的同时,本文建立了一个在外界应变场影响下分析非均匀光栅光谱的传输矩阵模型。利用这个模型,分别对四种不同的应变场作用下,对称三角谱光纤布拉格光栅的光谱变化进行分析。并以此为基础,研究了基于非均匀光栅的分布式传感中的解调技术,利用自适应常数变异的量子粒子群优化算法重构了光栅的传感参数(微应变)。这种分布式传感系统可以用于材料结构破坏的确认及内部应力的映射等。　　本文的研究工作为三角形反射谱光纤布拉格光栅的制作提供了理论指导,为基于非均匀光纤布拉格光栅的分布式传感的解调提供了理论依据和分析途径。因此对基于光纤布拉格光栅的通信和传感系统的设计具有一定的指导意义和参考价值。