随着单模光纤通信系统逐渐逼近其容量极限,空分复用技术因其在提高通信容量上所展现出的巨大潜力而受到越来越多的关注。少模光纤放大器是长距离空分复用系统中的关键器件,而模间增益差是衡量少模光纤放大器工作特性的重要指标。然而,研制同时实现高增益,低噪声,多模式增益均衡放大的少模光纤放大器依然是一个挑战。针对这一问题,本文从理论和实验两方面出发,研究了少模光纤参量放大器。首先根据模内四波混频的相位匹配条件,设计了一种适用于参量放大的两模光纤,实现了通信波段两模式的增益均衡放大并分析了随机耦合对参量增益的影响。在此基础上,又设计了一种椭圆纤芯的四模参量放大光纤以消除简并模式间的随机耦合。随后,实验研究了少模光纤参量放大器的增益特性,特别是其对入射光场偏振和空间模式的依赖特性。接下来,利用非线性相移和模内四波混频两种方法测量了少模光纤高阶模的等效非线性系数。最后,考虑到基于少模光纤的量子通信也在引起越来越多的关注,实验制备了通信波段不同空间模式的量子关联光子对,为进一步制备空间模式纠缠态奠定了基础。本论文的主要创新点包括:1.根据模内四波混频的相位匹配条件,设计了两种结构简单的色散位移少模光纤,分别实现了通信波段的两模式和无模式耦合的四模式增益均衡参量放大,并分析了随机耦合及偏振模色散对少模参量放大器的影响。2.实验研究了模内和模间四波混频过程的增益特性,并着重分析了它们的偏振和模式依赖特性。利用模内四波混频过程,首次演示了通信波段的少模参量放大器,LP₀₁和LP₁₁模信号的增益分别为21.7 d B和4.2 d B。3.提出了两种测量少模光纤中等效非线性系数的方法,分别是基于非线性相移的测量法和基于模内四波混频过程的测量法。实际测量了少模光纤高阶模的模内和模间非线性系数及其衰减系数,测量结果与理论预期相符。4.利用模间四波混频过程,实验制备了通信波段不同空间模式的关联光子对,同时分辨出光子对的频率,偏振和空间模式,并分析了拉曼噪声光子的偏振和模式特性。符合计数测量得到了28的符合计数率与随机符合计数率之比,验证了光子对的量子关联特性。