随着物联网、智能手机与云端计算、智慧城市等新兴科技的兴起，以现有单模光纤为主要代表的光纤通信系统在未来五到十年内，通过采用多波段传输技术实现容量增长的方式将难以为继。空分复用技术(space division multiplexing，SDM)通过增加光纤空间通道密度的方式可实现传输系统信道数的迅速提升，以满足未来二十至三十年Pbit/s系统传输容量需求。结合集成光放大与集成光收发技术，空分复用技术可在系统成本与能效之间达到平衡，因此在过去十年间获得广泛关注并取得重要进展。
　　论文围绕弱耦合多芯光纤(weakly-coupled multicore fiber，WC-MCF)的空分复用光传输系统中的关键技术开展研究，内容包括弱耦合多芯光纤信道及通信系统建模、弱耦合多芯光纤复用/解复用器(multiplexer/de-multiplexer，MUX/de-MUX)设计与制备、弱耦合多芯光纤短距强度调制/直接探测(intensity-modulation/direct-detection， IM/DD)系统与短距自相干系统实验、理论、以及仿真研究等方面。论文的主要研究成果包括：
　　(1)基于有效折射率模型与模耦合理论建立了在弯曲与扭转情况下弱耦合多芯光纤芯间串扰(intercore crosstalk，IC-XT)模型，通过数值计算揭示了芯间串扰的频率相关特性的机理与演化规律。分析指出芯间串扰的频率相关特性主要由传输过程中不同频率光场积累相位存在显著不同导致，并最终由芯间走离与传输距离决定。最后通过实验与仿真证明芯间串扰在频域的去相关带宽随芯间相对延时差(芯间走离×传输距离)按分式线性函数规律演化。
　　(2)搭建了基于耦合的非线性薛定谔方程的弱耦合多芯光纤信道模型，提出芯间串扰可采用耦合矩阵与相位传递函数进行精确描述。在保证10?8%相对误差情况下，通过频域下采样耦合矩阵的方式实现弱耦合多芯光纤信道模型计算效率约10倍提升，从而提高了通信系统的仿真效率。进一步仿真验证了信道模型对随机耦合多芯光纤的适用性。
　　(3)为精确研究弱耦合多芯光纤中的芯间串扰，设计并制备了包层直径为125μm的沟道辅助型多包层拉锥用桥纤，可适用于纤芯间距30μm以上的多芯光纤复用/解复用器制备。基于此桥纤进一步设计并制备了低串扰熔融拉锥型7芯光纤复用/解复用器，实现所有通道芯间串扰低于-62dB，插入损耗低于1.2dB，回波反射低于-58dB的良好性能。
　　(4)研究了基于弱耦合多芯光纤的短距强度调制/直接探测光传输。研究了脉冲振幅调制(pulse amplitude modulation，PAM)格式在不同条件下芯间串扰对系统传输性能的影响。针对两种典型传输方案，通过实验、理论、以及仿真揭示了由芯间串扰导致的载波拍频损伤对信噪比会产生额外恶化。在最差1-dB信噪比恶化门限下，芯间串扰容忍门限下降约20dB。进一步实验研究了PAM，载波抑制幅度相位调制(carrier-less amplitude and phase modulation，CAP)，以及离散多音调制(discrete multitone modulation，DMT)等三种调制格式对载波拍频损伤的容忍特性。实验结果表明CAP调制格式对载波拍频损伤具有良好的容忍特性。最后相关结果有助于此场景下弱耦合多芯光纤设计以及其直接探测传输系统的分析与优化。
　　(5)研究了基于弱耦合多芯光纤的短距自相干探测光传输。研究了对自相干系统本振光功率的影响，指出在1dB信噪比代价门限情况下，经多芯光纤传输后的最小本振光功率应高于-13dBm，对应17dB的本振光功率预算。进一步研究了光纤相对延时差致相位噪声的影响，指出对于所采用DFB激光器若要求所有符号相位噪声小于0.1rad，所采用弱耦合多芯光纤的芯间相对延时差应小于1ns。采用正交相移键控(quadrature phase shift keying，QPSK)调制格式与64-正交幅度调制(64-quadrature amplitude modulation，QAM)格式研究了芯间串扰对本振光、对信号光、以及同时对本振光与信号光产生影响时的系统性能恶化特性，指明芯间串扰在相干系统中可近似为加性高斯白噪声，信号恢复后信噪比的仿真与理论分析结果与实验相吻合。最后相关结论有助于此场景下弱耦合多芯光纤的设计以及其自相干探测传输系统的分析与优化。