随着5G与人工智能等信息技术的发展,人类社会对数据传输的要求不断提高。由于光纤通信系统中单模光纤的非线性效应始终制约着信息传输速率和容量的进一步提升,旨在通过挖掘空间维度潜力去突破上述瓶颈的模分复用技术被寄予厚望。光纤通信模分复用系统中最关键的器件之一是模式复用及解复用器,而光子灯笼作为性能良好的全光纤型模式控制器件,由于其低损耗、超带宽的特性,以及良好的模式扩展性、系统兼容性,成为最受研究者们青睐的模式复用及解复用器,对模分复用以及整个光纤通信系统通信速率和容量的提升非常关键。本文从光纤中的模式分析基本理论、模式耦合与超模理论、绝热拉锥理论等出发,研究了光子灯笼的基本原理与仿真设计方法,制备了全光纤型三模与六模光子灯笼,并提出了新型的轨道角动量模式选择型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三方面:1.本文分析了少模光纤中的本征模式、轨道角动量模式及光子灯笼的基本原理,介绍了光子灯笼仿真设计的数值计算常用方法及光子灯笼实验制备测试的常用方法。本文基于光束传播法和有限元分析法的仿真设计,研究分析了一种针对模式选择三模光子灯笼经典模型的优化设计,整体损耗低于0.07dB,模式选择性高于18dB;研究分析了一种模式选择六模光子灯笼优化设计,整体损耗低于0.07dB,模式选择性高于22dB。本文首次较为系统地讨论了单模端纤芯初始归一化频率值对光子灯笼选模特性的影响规律,为传统的选模光子灯笼结构设计方法提供了一种较为新颖直接的补充思路。2.结合实验室条件,我们在国内首次实现了三模和六模选模光子灯笼的制备和测试。本文介绍了首款国产成品化三模光子灯笼的制备方法、封装方法与测试性能,其成品化封装后整体插入损耗低于5.0dB,模式相关损耗低于3.0dB,工作带宽达到70nm;介绍了国产实验品六模光子灯笼的制备方法与测试性能,其 LP01、LP11a、LP11b、LP21a、LP21b和LP02各模式损耗分别为2.1dB、3.1dB、3.2dB、3.4dB、3.4dB 和 3.7dB。3.针对业界缺乏简单可行的全光纤型轨道角动量模式复用方法的问题,本文创新性地分析了模组选择光子灯笼输出模式随拉锥长度增大的周期性变化,利用控制特定拉锥区域处产生的模式间相位差,首次提出了轨道角动量模式选择光子灯笼设计,可实现单模端纤芯与少模端模式间一一对应的选择性激励。仿真结果证明,一阶轨道角动量光子灯笼的模式间串扰低于-24dB,插入损耗低于0.03dB,拉锥长度制作容差大于1mm,可在C+L全波段低损耗、低串扰稳定工作;二阶轨道角动量光子灯笼的模式间串扰低于-24dB,插入损耗低于0.04dB。本文首次实现了光子灯笼单模端选择性打光激励的基模与少模端转换输出的目标轨道角动量模式之间的一一对应关系,从而提供了一种简单可行的全光纤型轨道角动量复用新方法。