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随着新的终端设备的大量涌现以及云计算和三维视频的广泛应用,人们对带宽的需求快速增长,高速率、大容量、高频谱效率的光通信网络成为下一代通信网络的发展主流。目前,100G的光传输网络正在全世界如火如荼的全面展开,400G光网络时代也日趋逼近。为进一步提高频谱效率、增加系统容量和降低传输成本,相干接收、数字信号处理、新型调制格式、多维度复用等关键技术不断突破,推动着光通信系统的持续发展。然而,相干光通信系统中引入的相位噪声会导致严重的误码,极大地限制了系统的传输效率,且新型调制格式对相位噪声尤为敏感,因此研究适用于新型调制格式的载波相位估计算法十分必要。另一方面,轨道角动量(OAM)复用作为一种特殊的模式复用方式,增加了新的复用维度,成倍的增加了系统传输容量。但是,在空间相干光通信系统中,湍流扰动对OAM模式的影响及各模式之间的复用解复用和串扰问题仍是制约OAM技术发展的一个急需攻克的难关。本文围绕相干光通信系统中新型调制格式及模式复用技术的研究这一主题,对新型调制格式下载波相位噪声补偿的实现及OAM模式间串扰展开深入研究和分析,主要创新工作如下：(1)搭建相干光通信仿真系统,实现了新型调制格式信号的加载和传输。探讨新型调制格式下的载波相位估计算法的性能,并对多种算法的误码率(BER)、误差矢量幅度(EVM)、光信噪比代价(OSNR Penalty)、复杂度进行详尽的分析和比较。(2)针对64-QAM信号提出一种两阶段载波相位恢复算法,与传统盲相位搜索(BPS)算法相比,在获得相同噪声估计性能的同时,该算法的计算复杂度下降了约3倍。(3)提出一种对调制格式透明的三阶段载波相位恢复算法。数字分析结果表明,对于32-,64-,和128-QAM调制格式,该算法的线宽容忍度分别达到1.4M,1.1M和224K,且与BPS算法相比,在保持相同性能情况下,复杂度分别降低了约3倍,5倍和7倍。(4)仿真分析基于Kolmogorov的大气湍流对OAM模式相位和强度的影响及多模式复用串扰。研究表明,在弱湍流和中等湍流条件下,OAM模式间隔分别设置为1和3才能保证接收端模式的质量。