模分复用系统能够成倍地提高光纤通信系统的传输容量,有效解决当前日益严峻的传输容量危机,被认为是光纤通信领域的第二次革命。模式的激励与模式的转换是模分复用技术首先需要解决的问题,它广泛应用于模分复用系统的发送端、接收端和网络节点上,获得高效率、高精度、低复杂度的任意模式间相互转换的解决方案是模分复用系统广泛应用的前提。當前对模式激励与转换方法的研究主要分为两个方向,一个是基于自由空间光路的方法,比如利用空间光调制器(SLM)或相位板(PhasePlate)改变入射光场相位和振幅的分布,在输出端激励出想要的目标模式;多路基模光束同时入射到多模/少模光纤端面的不同位置,在光纤中激励出稳定存在的口标模式。另一个是基于光纤波导型结构的方法,比如利用长周期光纤光栅、光子灯笼、光纤耦合器等波导结构实现模式的激励与转换。基于波导型结构的模式激励与转换方法具有低损耗、低串扰、易集成的优点,但是模式转换的带宽有限,不可重构且工艺复杂度较高,而基于空间光路的方法可以利用较为简单的工艺和器件来实现高效的模式转换,可重构性强,操作简单,因此本论文主要探讨基于自由空间光路的模式转换方法,对利用空间光调制器进行模式转换的原理进行深入分析,得到高效率、高精度的模式控制解决方案。论文开篇介绍了模分复用系统的背景及国内外研究现状,针对系统中存在的问题及需要克服的难点进行了分析,指导论文对模式激励與转换方法的探讨。论文首先对光纤中的模式理论、自由空间中的衍射理论进行了公式推导,接着对基于自由空间光路的模式激励和转换原理进行了深入的理论分析,随后搭建了仿真平台和实验平台,并通过仿真结果和实验结果的对比验证模式激励与转换理论的正确性。论文在实验过程中引入闪耀光栅来解决转换光斑模糊的问题,提高了光斑的清晰度。论文提出了相位振幅联合调制的方法来提高模式转换的精度,充分利用传递函数中的振幅信息,补偿纯相位调制情况下的幅度衰减。最后论文结合相位振幅联合调制方法和闪耀光栅的偏折特性,提出了基于单个SLM的四路模式转换和复用方案,先后搭建仿真平台和实验平台验证了方案的正确性和可行性。论文的主要研究工作和创新点如下:1、提出相位与振幅联合调制的方法进行模式的转换。论文理论推导了基于4f系统的模式激励与转换方案,求解出了传输函数模型,仿真和实验获得了二值相位条件下的激励与转换结果。针对纯相位调制下模式转换结果中带有明显的高阶衍射分量的问题,提出了联合相位与振幅调制的方法,把纯相位调制下舍去了的振幅信息充分利用起来,弥补转换光斑的幅度损失,达到提高模式转换精度的目的。论文通过对空间光调制器上的像素进行划分,把相邻的几个小像素看成一个大像素,小像素的平均相位体现了该大像素的相位调制能力,而小像素相位之间的变化关系体现了该大像素的振幅调制能力,并配合4f滤波系统达到振幅调制的目的。2、提出了基于单个SLM的多路模式转换与复用方案。基于空间光路的模式复用一般分成两个步骤进行,首先通过多个SLM或者相位板激励出所需的高阶模式,然后利用多个分光棱镜把这些模式汇聚起来耦合进光纤进行传输。这种复用方案的缺点是随着复用模式个数的增加,器件的成本也会相应增加,器件利用的效率不高。为了提高器件的使用效率,提高系统的紧凑度,论文提出把单个SLM划分为多个区域进行独立模式激励的办法,同时引入闪耀光栅来偏转激励后的光束,使得在模式转换的同时进行模式的复用,免去了因利用多个分光棱镜来实现复用的花销。该方案同时具有一定的扩展性,当对SLM进行更精细的划分时,可以增加复用模式的个数。