为了分析光子灯笼用于光合束时的模式控制能力波动，建立算法提取光场灰度矩阵，使用数值计算结果替代角功率分布方差来分析光子灯笼模式控制能力随合束功率的波动。根据功率流方程与临近模耦合理论推导了算法的理论基础。从算法结构和灰度值提取精度参数两方面详细介绍灰度提取算法。通过对比复原图与原光场图，证明算法将光强分布情况转化成灰度值矩阵的数值准确性；最后，以自制的3×1光子灯笼在弱主动模式控制下的表现为例，分析其模式控制能力随合束功率变化导致的输出光质量与合束损耗的变化。实验结果解释了合束功率从0增加到270 mW时3×1光子灯笼的光合束损耗曲线斜率变化以及合束光最大高斯拟合度波动。算法能简单、快速地分析光子灯笼用于基模合束光制备时模式控制能力的波动情况，且环境敏感度低，光场功率分布提取准确率大于99%。

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。