光波的物理维度资源包括幅度、相位、波长、时间、偏振等,对光波物理维度的调控广泛应用在与光相关的各个领域中。除了这些维度,光波的横向空间分布即空间模式,近年来也得到了越来越多的关注。空间模式调控在光通信和光镊等多个领域具有重要应用。一方面,高速大容量是未来通信发展的必然趋势,空间模式可以作为信息载体,利用空间模式的信息复用技术可以为光通信可持续扩容提供有效途径;另一方面,传统应用叠加信息化技术,即信息泛在化也是未来的重要趋势（如通信感知一体化）,空间模式可以用于光镊,利用空间模式调控的信息化光镊技术可以增加传统光镊应用的灵活性和智能化程度。本文针对空间模式调控及其在信息复用传输和信息化光镊中的应用展开系统深入探究,具体研究内容如下:（1）空间模式调控的基础理论和关键技术研究。重点分析了矢量模式、线偏振（LP:linearly polarized）模式和轨道角动量（OAM:orbital angular momentum）模式的基础理论和相互间的转换关系,详细阐述了空间模式的产生、解调方式和复用解复用技术。实验研究了多种空间模式调控技术,包括:（1）利用设计研制的反射型超表面调控产生OAM模式;（2）利用少模光纤中一阶模群内两个矢量本征模式(即TM01模与TE01模)之间所固有的微弱退简并特性,发现了自旋轨道映射新现象,为空间模式提供了新的调控手段。（2）实验研究了弱导环形光纤OAM模式信息复用传输。（1）设计、制备并表征了两种环形光纤（支持4个模群的3阶光纤和6个模群的5阶光纤）的多种参数,实测传输损耗0.2～0.25 d B/km,通过测试模式差分群延时（DGD:differential group delay）验证了3阶光纤4个模群全部分开、5阶光纤5个高阶模群分开,测试验证了其优异的低模间串扰特性和低弯曲损耗特性;（2）分别实验实现了25.32 km 3阶光纤和50 km 5阶光纤两个模式复用通信;（3）通过与光纤环路结合,使用3阶和4阶两个OAM模式,通过实验评估单个模式和复用通信的性能,验证了单圈50 km总长度300 km的OAM模式光纤复用通信。（3）理论和实验研究了空气芯光纤中多种空间模式信息复用传输的性能差异。（1）利用模式耦合理论,定性分析了LP模式和OAM模式各自的耦合特性;（2）实验研究了空气芯光纤中多种空间模式的传输特性和通信性能,分别通过模式走离测量和通信误码率测试,验证了圆偏振OAM模式的无模式走离和低串扰传输特性,实验验证了圆偏振OAM模式复用传输的强抗干扰性,证明其在空气芯光纤中传输的优越性。（4）实验研究了OAM模式在信息化光镊中的应用。（1）通过对多个空间模式的编码调控,实现了信息在光镊中的编码传输;（2）采取多级幅度调制输入光,实现了多种进制幅度调制信息在光镊中的传递;（3）实验研究了双输入光镊的特性并实现了支持多种逻辑门操控的信息化光镊,实现了多种逻辑门信息化光镊操作。三种信息化光镊的实施验证了光镊中粒子运动可以叠加信息传递,增加了传统光镊应用的灵活性和智能化程度。
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