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单模光纤通信系统的传输速率和容量已越来越接近其非线性香农极限的限制。近年来,利用空间维度的模分复用技术被公认为能够突破传统单模光纤通信系统传输容量瓶颈的有效技术手段。模分复用系统中最为关键的部分之一是复用及解复用器。本文从光纤中的模式耦合理论以及绝热拉锥理论出发,研究了几种基于光子灯笼的模分复用系统中模式复用及解复用方法,并提出了新型的基于椭圆光纤的简并模选择光子灯笼器件设计方法。本课题主要的研究内容和创新点分为以下四方面:1.分析了少模光纤及光子灯笼的基本原理,阐述了光子灯笼的数值计算方法。根据光子灯笼的功能不同,分别研究了非模式选择光子灯笼和模式选择光子灯笼。2.研究了基于圆形少模光纤的模式选择光子灯笼,设计并优化了其基本结构并进行了基于光束传播法和有限元方法的仿真分析,仿真结果证明,所设计的三模模式选择光子灯笼的LP01、LP11a和LP11b模的损耗分别为0.11 dB、0.13 dB、0.13 dB。六模模式选择光子灯笼的 LP01、LP11a、LP11b、LP21a、LP21b、LP02模式的损耗分别为0.023 dB、0.033 dB、0.117 dB、0.157 dB、0.310 dB、0.322 dB。3.依据绝热拉锥的原理,制备出了三模模式选择光子灯笼,实现了 LP01、LP11a和LP11b模式的选择功能。LP01、LP11a和LP11b模式的损耗分别为 0.5dB、0.83dB 和 0.41dB。4.针对当前基于椭圆光纤传输的弱耦合模分复用系统中椭圆光纤与现有模式复用解复用器模式不匹配的问题,首次提出基于椭圆少模光纤的简并模式弱耦合型模式选择光子灯笼,并进行了仿真验证,结果表明,本文提出的椭圆光纤型模式选择光子灯笼可实现所有模式的选择,其中三模模式选择光子灯笼LP01、LP11a、LP11b模的损耗分别为0.05dB、0.04dB、0.05dB,模间串扰均低于-20.8dB,渐变折射率和阶跃折射率六模模式选择光子灯笼模式损耗均低于0.35 dB,模式串扰低于-20 dB。