迈入“十四五”,数字新基建加快建设,5G融合应用走向纵深,通信行业赋予经济社会数字化转型升级的能力全面提升。然而,新兴技术的发展同时伴随着海量数据的爆发,作为重要的国家基础服务设施,光纤通信系统的升级扩容迫在眉睫。虽然时分复用、波分复用、偏振复用和相干调制等手段的引入助力光纤传输链路的容量实现了质的飞跃,但受非线性等效应的制约,单模光纤传输容量的剩余可扩展范围相对有限。空分复用光纤可通过模式复用或芯分复用等技术方式,实现单根光纤传输容量的显著提升,被认为是有望解决单模光纤容量瓶颈的重要手段之一。近年来,传输型空分复用光纤得到了各国研究机构的全面关注,其面临的关键技术难点主要包含两个方面:一是信道间的能量耦合问题;二是空分复用光纤的参数测量问题,目前尚无成熟的商用设备。针对上述技术难点,本论文在国家自然科学基金“国家重大科研仪器研制”和国家科技部重点研发计划课题等项目的支持下,开展了空分复用光纤及其折射率分布测量的相关研究,重点针对现阶段弱耦合少模光纤和低串扰多芯光纤的局限性提出了改进的设计方案,搭建了空分复用光纤参数测量装置,并结合实验结果分析了商用少模光纤和多芯光纤的耦合特性。主要创新点如下:1.针对阶跃少模光纤的模间耦合问题,研究了模式功率分布随光纤径向折射率剖面的变化规律,提出了一种叠加环芯少模光纤,采用双层复合环芯结构显著改善了6个相邻LP模式之间的隔离度,在C+L波段可实现有效折射率差大于1.63×10-3,保证了光纤的弱耦合特性;进一步优化纤芯的折射率分布,提出了一种纳米孔助双包层少模光纤,有效降低了特定模式的中心功率,在C+L波段可实现6个相邻LP模式之间有效折射率差大于1.8×10-3,弱耦合特性良好,光纤的抗弯曲能力提升且宽带性能稳定。2.针对阶跃少模光纤中模组内的简并模式分离问题,提出了一种“双糖果形”辅助环芯6-LP模式弱耦合光纤方案,采用环芯和非圆对称的“双糖果形”辅助结构调整了传输模式的折射率和模场分布,在1550nm波长处可同时实现相邻空间模式之间以及相邻LP模式之间的有效折射率差分别大于1.93×10-4和1.51×10-3,这种较高的模式间隔能够将模分复用系统中所需MIMO的计算维度由4×4降低至2×2,改善了整体链路性能。3.针对多芯光纤芯间串扰大、纤芯复用度不高等难题,提出了一种差分内包层异质八芯单模光纤。数值分析结果表明,差分内包层结构的引入使相邻纤芯单元之间产生了足够大的相位失配,在1550nm波长可实现低于-50d B/100km的芯间串扰,高于90μm~2的模场面积和6.77的相对纤芯复用因子,光纤的理论截止波长小于1350nm且在L波段30mm弯曲半径下的损耗小于0.5d B/100turns,满足低串扰和低弯曲损耗的应用需求。4.针对少模多芯光纤的综合性能优化,提出了一种空气沟槽辅助渐变折射率异质12芯4-LP模式光纤,采用空气沟槽结构增强了纤芯单元的光场束缚能力,在1550nm波长处可实现低于-66d B/km的平均串扰和41.7的相对纤芯复用因子,且在C+L波段上的差分模式群时延小于70ps/km,具有良好的传输特性;为了改善多芯光纤与现有光通信系统的适配程度,进一步提出了一种标准光纤直径的密集孔助同质7芯4-LP模光纤方案,通过差分空气孔环绕的方式形成密集孔助结构,降低串扰的同时使光纤抗弯曲敏感,在1550nm波长处可实现低于-30d B/100km的平均串扰和84.92的相对纤芯复用因子,符合大容量、低串扰的使用要求。5.针对现有光纤参数分析仪普遍存在的局限性大、测量过程复杂和时间久等困扰,基于定量相位显微法和计算机断层扫描技术,搭建了空分复用光纤折射率分布测量装置,结合相关算法的优化,实现了商用少模光纤和多芯光纤折射率分布的快速准确重建。其中,相对折射率差的测量分辨率达到10-4量级,测量误差小于5%。对比测量数据和光纤的典型参考值,数值分析了商用少模光纤与多芯光纤的耦合特性。结果表明,测量数据准确,测量装置稳定可靠。