光波的横向空间维度指光波在横向空间的振幅、相位、偏振分布。一些具有横向空间分布的光束由于具有空间正交性和角动量等特性最近得到了越来越多的关注并应用于各种光通信系统和非通信系统中。为了实现对光波横向空间维度的利用,需要对光波进行有效的空间光场操控。传统用来操控光波横向空间结构的光学元件存在占用空间大、工作距离长、操控精度低、工作条件苛刻等缺点,不利于实现灵活、高效和紧凑的空间光场操控。相比之下,微纳光子器件诸如超表面和集成器件等具有尺寸小、衍射距离短、操控精度高等传统光学元件不具备的优势。因此,为了解决现有空间光场操控技术存在的关键问题,本文在基于微纳光子器件的空间光场操控及其在光通信中的应用方面开展了一系列理论和实验研究,具体内容如下:(1)理论和实验研究了基于超表面的空间光场操控。(1)理论研究了金属V字形天线在外界光场激发下的振幅响应和相位响应,设计了一种能产生四个涡旋光束广播的V字形天线超表面,模拟结果表明使用设计的V字形天线超表面能成功产生四个不同的涡旋光束广播,广播信道串扰小于-15 dB。(2)在光纤端面设计并制备了一种金属孔型超表面能激发光纤中的高阶线偏振(LP:linearly polarized)模式,实验结果表明制备的超表面能在光纤中成功激发LP11模式。(3)设计了一种反射型全电介质椭圆超表面单元结构,理论分析了该单元结构在外界光场激发下反射场的振幅和相位响应,设计并制备了基于这种单元结构产生各种涡旋光束的全电介质超表面,实验结果表明,该超表面能成功产生和检测各种不同涡旋光束,利用制备的超表面还实验实现了基于两束涡旋光束的自由空间复用/解复用通信系统应用。(4)设计了一种基于反射型全电介质椭圆单元结构能产生贝塞尔光束和涡旋光束广播的超表面,模拟结果表明,使用设计的超表面能成功产生高纯度的贝塞尔光束和六个涡旋光束广播,广播信道串扰小于-14 dB。(2)理论和实验研究了基于硅基器件的空间光场操控。研究了基于硅基集成器件的对电磁波传统维度的操控,设计并制备了一种空气狭缝型混合SPP(surface plasmon polarities)波导用于片上高速信息传输。实验结果表明制备的混合SPP波导能成功实现Tbit/s的数据传输。设计并实验研究了一种基于硅基波导和倾斜光栅的片上涡旋光束阵列发生器,模拟了片上倾斜光栅辐射光束的特性,根据模拟的结果设计了一种基于这种倾斜光栅的涡旋光束阵列发生器,模拟结果表明设计的发生器能成功地在器件上方产生网状分布的涡旋光束阵列,利用微纳工艺制造平台制备了设计的涡旋光束阵列发生器并实验测试了其工作性能,实验结果表明制备的发生器能成功产生网状的涡旋光束阵列并验证了模拟结果。(3)实验研究了空间光场操控在光通信中的其他应用。(1)实验研究了利用贝塞尔光束携带的拓扑电荷数信息进行数据的多进制编码/解码,分别利用16种和32种具有不同拓扑电荷数的贝塞尔光束在12 m长的自由空间中实验验证了数据信息的16进制和32进制编码/解码,实验还研究了路径遮挡物对这种编码方式的影响,实验结果表明,使用较大拓扑电荷数间隔的16进制贝塞尔光束的编码/解码的误码率为0并且路径遮挡物对误码率结果没有影响,而使用较小拓扑电荷数间隔的32进制贝塞尔光束的编码/解码却有很高的误码率,实验结果表明使用贝塞尔光束的拓扑电荷数不仅可以实现多进制的信息编码/解码,而且还能免受路径遮挡物对这种通信方式的影响。(2)实验研究了5 km少模光纤中利用LP01、LP11a(b)、OAM±1(OAM:orbital angular momentum)等空间模式进行模拟信号传输,实验中使用二次谐波失真的无杂散动态范围来评估模拟信号传输质量并研究了各种因素对模拟信号传输的影响,实验结果表明,在相同的输入光功率下,少模光纤中的模拟信号传输主要受模式相对损耗的影响,而在相同模式相对损耗的条件下,少模光纤中所有线偏振的空间模式有几乎相同的模拟信号传输表现,高阶LP模式和OAM模式本身的因素如平均差分模时延等对模拟信号传输质量的影响较小。