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单模光纤通信系统的容量受限于非线性香农极限，难以满足逐年急剧膨胀的流量需求。所幸的是，基于光波横向空间维度的空间位置复用以及模分复用技术仍然存在极为庞大的容量提升空间，因此近十年来各种模分复用特种光纤的设计研制以及相关模分复用光纤通信成为国际研究热点之一。本论文围绕模分复用光纤开展了一系列理论和实验研究工作，涉及光纤包括传统光纤、环形光纤、退简并多模光纤、掺铒光纤等。具体内容如下：
(1)研究了光纤中不同模式基的基础理论。详细分析了光纤中本征模式、线偏振(LP：linearly polarized)模式、圆偏振和线偏振轨道角动量(OAM：orbital angular momentum)模式四种常用模式基的强度、相位、偏振空间分布特征，并探讨了这四种模式基间的变换关系以及用于光纤模分复用传输的性能。
(2)理论研究了传统光纤中支持OAM模式的特性。①研究了传统OM3多模光纤中OAM模式的模群分布、宽谱特性以及外界扰动和内部缺陷的影响。②研究了G.652标准单模光纤支持可见光OAM模式的特性，包括椭圆、弯曲的容忍度以及光纤衰减和带宽等。仿真结果表明，这两种广泛铺设的传统光纤均能够支持多通道OAM模群间低串扰复用通信。
(3)环形光纤设计和制备。①设计了一种空气芯强导环形光纤，其支持相邻非奇偶简并模式间折射率分离均大于10-4。②设计了一种具有低损耗、低色散和超低非线性的弱导环形光纤，其支持1到12阶OAM模群间折射率分离均大于10-4。③针对弱导环形光纤提出了一种简化多输入多输出(MIMO：multiple-input multiple-output)均衡的模分复用方案，并分别从时域和频域比较了简化MIMO与传统全局MIMO的算法复杂度。④结合氟掺杂包层设计制备并实验测试了三种低损耗(≤0.26dB/km)弱导环形光纤，其高阶模群间串扰小于-20dB/km。
(4)本征模式完全分离的退简并多模光纤设计。①结合结构双折射和应力双折射设计了一种熊猫型椭圆纤芯多模光纤，能够实现24个本征模式在整个C波段超过1.35×10-4的折射率分离。②进一步采用椭圆环形纤芯结构设计了一种领结型椭圆环芯多模光纤，能够实现52个本征模式在整个C波段超过1.09×10-4的折射率分离。③设计了一种纤芯非对称的实芯光子晶体型多模光纤，在整个C+L波段能够实现51个本征模式间超过1.37×10-4或者24个本征模式间超过1.10×10-3的折射率分离，并且具有极低的限制损耗。
(5)OAM模分复用掺铒光纤设计和测试。①基于双包层弱导环形光纤设计了一种包层泵浦的增益均衡OAM模分复用掺铒光纤，能够实现所有14个OAM模式在整个C波段大于20dB的增益和不超过0.63dB的增益差。②实验测试了一种实际制作的环形掺铒光纤对1阶OAM模式的放大性能，测得在整个C波段的小信号增益大于14dB。
(6)实验研究了基于OAM模分复用光纤的通信系统。①实验验证了全双工双向OAM模式1.1km复用通信系统。上、下行链路分别传输两路x、y偏振±1阶OAM模式。②通过采用低损耗环形光纤、超低损单模光纤和自制全光纤OAM模式复用解复用器，实验实现了基于环形光纤中1阶和2阶OAM模式复用的高速子网络和基于单模光纤的低速子网络无缝连接的100km异构全光纤通信系统。
(1)研究了光纤中不同模式基的基础理论。详细分析了光纤中本征模式、线偏振(LP：linearly polarized)模式、圆偏振和线偏振轨道角动量(OAM：orbital angular momentum)模式四种常用模式基的强度、相位、偏振空间分布特征，并探讨了这四种模式基间的变换关系以及用于光纤模分复用传输的性能。
(2)理论研究了传统光纤中支持OAM模式的特性。①研究了传统OM3多模光纤中OAM模式的模群分布、宽谱特性以及外界扰动和内部缺陷的影响。②研究了G.652标准单模光纤支持可见光OAM模式的特性，包括椭圆、弯曲的容忍度以及光纤衰减和带宽等。仿真结果表明，这两种广泛铺设的传统光纤均能够支持多通道OAM模群间低串扰复用通信。
(3)环形光纤设计和制备。①设计了一种空气芯强导环形光纤，其支持相邻非奇偶简并模式间折射率分离均大于10-4。②设计了一种具有低损耗、低色散和超低非线性的弱导环形光纤，其支持1到12阶OAM模群间折射率分离均大于10-4。③针对弱导环形光纤提出了一种简化多输入多输出(MIMO：multiple-input multiple-output)均衡的模分复用方案，并分别从时域和频域比较了简化MIMO与传统全局MIMO的算法复杂度。④结合氟掺杂包层设计制备并实验测试了三种低损耗(≤0.26dB/km)弱导环形光纤，其高阶模群间串扰小于-20dB/km。
(4)本征模式完全分离的退简并多模光纤设计。①结合结构双折射和应力双折射设计了一种熊猫型椭圆纤芯多模光纤，能够实现24个本征模式在整个C波段超过1.35×10-4的折射率分离。②进一步采用椭圆环形纤芯结构设计了一种领结型椭圆环芯多模光纤，能够实现52个本征模式在整个C波段超过1.09×10-4的折射率分离。③设计了一种纤芯非对称的实芯光子晶体型多模光纤，在整个C+L波段能够实现51个本征模式间超过1.37×10-4或者24个本征模式间超过1.10×10-3的折射率分离，并且具有极低的限制损耗。
(5)OAM模分复用掺铒光纤设计和测试。①基于双包层弱导环形光纤设计了一种包层泵浦的增益均衡OAM模分复用掺铒光纤，能够实现所有14个OAM模式在整个C波段大于20dB的增益和不超过0.63dB的增益差。②实验测试了一种实际制作的环形掺铒光纤对1阶OAM模式的放大性能，测得在整个C波段的小信号增益大于14dB。
(6)实验研究了基于OAM模分复用光纤的通信系统。①实验验证了全双工双向OAM模式1.1km复用通信系统。上、下行链路分别传输两路x、y偏振±1阶OAM模式。②通过采用低损耗环形光纤、超低损单模光纤和自制全光纤OAM模式复用解复用器，实验实现了基于环形光纤中1阶和2阶OAM模式复用的高速子网络和基于单模光纤的低速子网络无缝连接的100km异构全光纤通信系统。