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高速相干光通信和大容量波分复用系统(WDM)是当前光纤传输领域的主要技术。在相干光WDM系统中,以交叉相位调制(XPM)为代表的光纤非线性效应是影响系统性能的主要因素。本文针对相干光WDM系统中相位估计和XPM效应,在理论分析、系统建模、算法构建和性能仿真等方面对系统性能优化进行了全面深入的研究。论文针对单信道相干光通信系统,提出了一种弹性相位估计(PE)算法。通过最大似然方法求取权重系数,从而消除传统PE接收机块长度效应对系统的影响。通过理论分析,给出了弹性PE接收机的相位差方差公式进行系统性能的预测。其次,论文基于小信号的分析方法,XPM强度噪声通过近似处理可以转化为乘性噪声的形式,论文提出了一个整体的XPM效应模型以描述XPM强度噪声和XPM相位噪声对系统的影响。理论和仿真显示XPM强度噪声主要表现为信噪比(SNR)的损伤。论文针对QPSK/OOK混合WDM系统,基于XPM相位噪声的自相关函数,给出了QPSK信道带有M次幂和DA-ML PE接收机的相位差方差表达式,从而进行最优块长度的理论预测。在QPSK信道PE接收机中引入权重系数,从而消除QPSK/OOK混合WDM系统中的块长度效应。针对16-QAM相干光WDM系统中,基于XPM相位噪声的自相关函数和16-QAM信号功率的统计特性,给出了传统PE算法的相位差方差表达式,从而进行最优块长度的预测。为了消除16-QAM WDM系统PE接收机的块长度效应,权重系数被引入到PE接收机中,理论和仿真显示弹性PE接收机在16-QAM相干光WDM系统中不再受到块长度效应的影响。论文最后针对OFDM WDM系统,提出了一种相邻信道频谱搬移减小XPM效应的方法。XPM强度噪声方差随着中频频率(IF)的增加呈现变化的稳定性,XPM相位噪声方差随着IF的增加呈现单调下降特性。CO-OFDM信道在XPM效应和放大的自发辐射(ASE)噪声作用下,给出了误码率(BER)表达式,从而验证频谱搬移降低XPM效应方法的有效性。