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随着网络带宽需求的快速增长,单模波分复用系统（Wavelength Division Multiplexing,WDM）的容量已接近非线性香农极限。为了适应未来网络的发展,空分复用（Space Division Multiplexing,SDM）技术应运而生,其中基于少模光纤的模分复用（Mode Division Multiplexing,MDM）系统已成为SDM的重要实现方式之一。本文研究少模光纤传输系统中非线性补偿方法和全光再生技术,主要内容和创新如下:1.考虑了少模光纤中自相位调制和交叉相位调制效应对导波光传播特性的影响,提出少模光纤通信系统模间非线性相位调制的解析补偿方法。以支持两个线偏振（Linear Polarization,LP）模的四相相移键控（Quadrature Phase Shift Keying,QPSK）信号系统为例,仿真分析了模式损耗和非线性效应对模分复用系统性能的影响,重点分析了模间相位调制的补偿作用和补偿算法的适应性。研究表明,补偿后能够正确解调QPSK信号所容许的模式损耗偏离会随着其参考值的增加而增大,少模光纤通信系统中非线性补偿效果主要受限于模间非线性系数,其所容许的最大偏离为0.146W-1 km。此外,所给出的非线性耦合模方程的解析解还可用于计算少模光纤的非线性系数。2.结合MDM中四波混频（Four Wave Mixing,FWM）耦合模方程,研究了QPSK少模光纤传输系统中数字背向传播（Digital Backward Propagation,DBP）算法的适应性。研究表明,（1）能够正确解调QPSK信号所容许的模间非线性系数?14和?4 1的最大偏离分别为0.184 W-11 km和0.185W-1 km;（2）在给定的非线性系数下,当输入信噪比为15 dB时,采用少模DBP算法可使LP11a、LP01、LP01、LP11b四个模式信号的误差矢量幅度（Error Vector Magnitude,EVM）值降低约85%。讨论了DBP算法在少模光纤传输系统中的应用,指出了更好发挥DBP算法作用的两个场景。3.首次提出基于少模非线性光纤环形镜（Few Mode-Nonlinear Optical Fiber Loop Mirror,FM-NOLM）的脉冲幅度调制（Pulse Amplitude Modulation,PAM）全光再生器,描述了其工作原理和具体设计过程。采用COMSOL软件对组成FM-NOLM的硫化物高非线性光纤进行了模式特性仿真。以LP01、LP11、LP21三个光纤模式为例,仿真分析了该少模PAM-4全光再生器的噪声抑制性能,并与单模情形进行了比较。研究表明,（1）对于每个空间模式的PAM信号,所有再生电平具有一致的功率转移性能;（2）当输入信噪比（Signal to Noise Ratio,SNR）约大于20 dB时,三种模式的噪声抑制比（Noise Rejection Ratio,NRR）均可超过3 dB,并随着输入信噪比线性增加,其斜率约为1.2;（3）在相同输入SNR条件下,三种模式的NRR相差不大,不超过1.1 dB。该方案具有均匀的多电平再生转移性能,使其更适合高频谱效率的长距空分复用系统和任意电平数的PAM信号再生。