Broadband mode converters are essential devices for space-division and wavelength-division multiplexing systems. There are great challenges in the generation of higher-order modes above the third order with low loss and high mode purity employing all-fiber devices. In this paper, an all-fiber LP₄₁ mode converter is proposed and fabricated by tapering a nine-core single-mode fiber bundle. Experimental results indicate that this all-fiber LP₄₁ mode converter is low-loss, high-purity, and ultrabroadband. The insertion loss is less than 0.4 dB. The purity of odd LP₄₁ at 1310 nm is 95.09%, and the operating bandwidth exceeds 280 nm.

天文观测仪器的蓬勃发展推动了对小体积、低成本、高效率的新一代仪器的研究工作。近年来，集成光学元件的发展为天文技术与方法带来了新机遇，天文光子学应运而生，为天文观测提供低成本、集成化的新一代高性能天文光学仪器。光子灯笼是一种低插入损耗、高模式选择性的新型全光纤线性光学器件，以综合单模光纤系统与多模光纤系统的优势，并实现模式转换与模式控制，可用于天文红外光谱滤波、光纤扰模、波前传感等方面。本文就光子灯笼器件的概况、工艺制备、天文领域前沿应用、挑战与前景等方面进行介绍。

为考察无需多输入多输出模分复用系统的高速信号传输能力，采用模式选择光子灯笼型模式复用/解复用器构建了2×100 Gb/s双偏振正交相移键控模分复用通信实验系统，系统中用到的少模偏振控制器状态可由LP₀₁和LP_11b两个模式信道的信串比参数准确表征。测试了系统误码率与信串比关系，实现两个信道纠后无误码传输的条件为信串比约大于8 dB。当两个信道的信串比分别为14.25 dB和13.81 dB时，与背对背收发系统相比，纠后无误码阈值（10^-2）的接收光功率代价分别为1.40 dB和4.76 dB。分析了光纤衰减、偏振模色散和模式串扰对高速传输系统的影响，估算了串扰受限系统可支持的少模光纤传输距离约为30 km。

为了避免光子灯笼模式解复用器串扰对模式功率测量带来的误差,提出基于单一模式计算方式的波长映射测量方法,详细描述了其工作原理并研制出相应的模式功率检测单元。采用混合模式和单一模式两种计算方式,分析了模式功率检测单元的透射率矩阵特点,实验验证了波长映射测量方法的可行性。实验结果表明,单一模式计算方式对少模光纤的偏振扰动不敏感,其模式透射率的偏振相关性小于0.025。在此基础上搭建了1480 nm前向泵浦的三模掺铒光纤放大器,采用波长映射方法测试了三模同时放大的性能,获得了高达26 dB的模式增益,差模增益小于2 dB。

光子灯笼是近几年兴起的一种光电子器件,可实现多模系统与多个单模系统之间的低损耗耦合,其一端为一根满足特定模式条件的多模波导,另一端则由一束相对较细的单模波导组构成。主要分析了光子灯笼的工作原理和几种特定的实现方式,并对这几种特定结构的特点和应用进行了概述。介绍了光子灯笼在天文光学、多路复用、模式控制、高能激光方面的应用和研究进展,对光子灯笼作为一种低损耗光波导器件在未来光学系统中的应用进行了展望。

提出一个基于光子灯笼的正交频分复用(OFDM)/模分复用多模光纤传输系统,利用2个模式选择性光子灯笼分别作为模式复用与解复用器,选取LP₀₁模与LP_11b模式作为发送信道,利用自适应比特加载OFDM调制方式在50 m长的OM4多模光纤上实现了7.2 Gb/s的传输。实验结果表明,调整2路信号的偏振态,当LP₀₁端的入射光功率比LP_11b端的入射光功率低4 dB左右时,可以保证2路信号在接收端的光功率一致。当2路信号的接收光功率均低至-13 dBm时,2路信号的误码率分别为1.3×10 ^-3与3.2×10 ^-3,均低于硬判决前向纠错(HD-FEC)门限。该系统为低成本、短距离以及大容量的数据传输场景提供了解决方案。

建立了一种基于模式选择性光子灯笼型模式复用/解复用器的3×3模分复用通信实验系统, 给出了系统的结构框图并阐述了其工作原理。分别利用模式为LP01、LP11a和LP11b的信号传输信道作为独立信道, 采用强度调制和直接探测系统, 实现了3×4.25 Gbit/s伪随机信号在10 km少模光纤中的良好传输。实验测试了接收信号的波形、眼图和误码率。实验结果表明: 当接收功率分别为-19.1 dBm、-15.8 dBm、-16.6 dBm时, 模式为LP01、LP11a和LP11b三路信号的误码率均可达到10-3。