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光学旋涡的轨道角动量作为光波的全新自由度并提供了固有的安全性能，它在通信系统中的应用已经不断被人们深入研究和积极探索。 本文中我们总结了光学旋涡的产生和检测方法，提出了产生和检测旁瓣调制型光学旋涡(Sidelobe-modulated Optical Vortices，SMOV)的改进方案。同时，基于光学旋涡在自由空间光通信系统中的众多具体应用，我们进一步明确地提出两种轨道角动量应用机制的概念，即轨道角动量键控(OAM-SK)和轨道角动量复用(OAM-DM)。最后，在自由空间光通信系统中我们利用旁瓣调制型光学旋涡的特性主要获得了如下两方面的研究进展: 1.对应于OAM-SK机制，我们在理论和实验上展示了阵列式旁瓣调制型光学旋涡在自由空间光通信系统中的应用解决方案。我们将像素点灰度信息用旁瓣调制型光学旋涡的拓扑荷进行编码，实现了自由空间光通信系统中的图像数据的传输。我们在原有的产生单个旁瓣调制型光学旋涡的螺旋相位掩膜的基础上，设计了新型的复合计算全息图(CompositeComputer-generated Hologram，CCGH)，用以产生拓扑荷l=41～48的旁瓣调制型光学旋涡阵列。借助于空间光调制器，我们实现了大小为180×180的灰度图像的传输，且误码率(BER)达到了3.01×10-3，满足带前向纠错功能(FEC)的信道编码的最低阈值要求。同时这种方案依靠旁瓣调制型光学旋涡的半径比值来解码信息，避免了常规检测方法中的严苛对准和相位匹配的难题。进而为旁瓣调制型光学旋涡在自由空间光通信系统的轨道角动量编码与调制提供了新的解决方案。 2.对应于OAM-DM机制，我们在理论和实验上展示了同轴式旁瓣调制型光学旋涡(Coaxial Sidelobe-modulated Optical Vortices，CSMOV)在自由空间光通信系统中的应用解决方案。它基于改进型的复合计算全息图(CCGH)来产生带有4个拓扑荷的同轴式旁瓣调制型光学旋涡，并使得4个旁瓣调制型光学旋涡的旁瓣推移到共同的径向位置，然后通过每个旁瓣调制型光学旋涡的主环-旁瓣半径比值来提取每个信道中的比特信息。我们实现了长度为105的二进制序列的传输，误码率达到了2.07×10-4，相较于(1)中的轨道角动量键控方案有明显降低。同轴式旁瓣调制型光学为光学旋涡在自由空间光通信系统中的轨道角动量复用提供了新的思路。