空分复用技术被认为是下一代的波分复用技术,可以大幅提高光纤通信系统的系统容量。空分复用包含多芯复用和模式复用。目前利用多芯、少模或多芯少模光纤作为传输介质,已实现了百倍以上的系统容量提升。比如,2015年OFC上日本KDDI公司的KojiIgarashi等人搭建的6模式19芯光纤的空分复用传输实验,实现了 114倍的容量提升。全世界很多的研究者们都在研究大容量,高频谱效率的空分复用光纤通信系统,并将空分复用技术推广到接入网、数据中心等需要提高传输容量的地方。伴随着空分复用技术的兴起,支持空分复用技术的新型光器件得到了广泛的关注。相比普通的单模光纤通信系统,空分复用系统特别是模式复用系统多了一个模式的维度,因此模式控制新型光器件包括模式转换器,模式复用器解复用器,少模掺铒光纤放大器,模式均衡器等亟待研究。对于模式控制新型光器件来说,它的兼容性、集成性、插入损耗、工作带宽、模式依赖性损耗、模式依赖性增益以及制作复杂度等,都是重要的性能指标。提高模式控制光器件的性能指标对于模分复用光纤通信系统的发展具有重要意义。论文第二章首先介绍了光纤模式的基本概念,给出了模式的空间分布特征(空间振幅和空间相位分布)和模式的波导特征(模式传播常数、模式群时延、色散等)。模式的空间和波导特征是模式控制器件的理论基础。论文第三章和第四章,在分析光纤型模式复用器解复用器原理、方案和性能的基础上,重点提出三种新型、宽带宽的光纤型模式复用器解复用器方案。接下来的第四章,论文提出了基于少模光纤拉锥的模式分离器方案,实现了少模光纤中模场的无模式转换分离,仿真并实验验证了方案的可行性。另外,结合少模光纤拉锥和空间光调制器,提出了具有大均衡范围的模式均衡器方案。论文的主要创新点如下:1.提出一种基于混合双芯光子晶体光纤的模式选择性耦合器。模式选择性耦合器在制作的时候需要先对单模光纤预拉锥来控制纤芯尺寸,以实现模式间的相位匹配。本文提出一种新的模式间相位匹配方法来实现模式转换,该方法基于一个同时包含折射率导光纤芯和光子带隙纤芯的混合双芯光子晶体光纤结构。其中光子带隙纤芯周围的包层空气孔被高折射率介质代替,优化这些高折射率介质的折射率就可以实现高效率的模式转换。仿真表明通过改变结构参数,方案的3 dB带宽可以从10 nm到89 nm变化。2.提出了一种基于光子晶体光纤后处理技术的锥形模式选择性耦合器。锥形模式耦合器由两个反向拉锥的纤芯组成,具有非常宽的波长带宽特性。但是其制作较难,目前的实验验证仅限于基于硅基和激光注入技术。本文提出了一种基于光子晶体光纤的锥形模式选择性耦合器方案,利用光子晶体光纤后处理技术来制作锥形模式选择性耦合器,仿真结果表明该方案在S、C和L的波长范围内具有很高的耦合效率。3.提出了一种基于多芯光纤的宽带模式复用方案。多芯少模光纤是实验中实现高频谱效率空分复用系统的主要选择,鉴于这种情况,本文提出一种基于多芯光纤的宽带模式复用方案。该方案由两个相互拼接的锥形多芯光纤组成,模式复用的过程发生在锥形区域,并且耦合过程不依赖于波长和结构参数,仿真结果表明该方案的带宽超过320 nm。4.提出了一种基于光纤拉锥技术和空间光调制器的模式分离器和模式均衡器方案。模式解复用器实现少模光纤中的模场分离时,所有光纤模式都转换成了基模,本文提出一种基于少模光纤拉锥的无模式转换模式分离方案。另外,基于模式分离,论文提出了一种新的模式均衡器方案。模式均衡器可以减少少模掺铒光纤放大器的模式依赖性增益,从而提高系统的传输容量。现有的模式均衡器利用空间光调制器实现动态的模组均衡,但这种方案因模式之间模场的相互重叠而加大了整体损耗,限制了均衡范围(10 dB)并带来了模间串扰。本文提出的先分离模式再模式均衡的方案,极大地提高了模式均衡范围(40 dB),减少了损耗。