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四维调制格式近年获得了学术界和工业界的广泛关注。其中,一种典型的四维调制格式偏振切换-正交相移键控(PS-QPSK)被认为是目前功率效率最高的调制格式,与业界提倡的“绿色通信”的宗旨相符合。随着动态与突发性网络业务的日益增长,弹性光网络成为优化网络资源配置的重要手段,这要求调制格式具有弹性调整系统频谱效率、传输距离等关键指标的能力。同时,编码调制技术已经成为大容量高阶调制相干光传输系统的关键使能技术之一。本论文围绕超高速相干光传输系统中PS-QPSK调制及相干接收数字信号处理(DSP)算法、细颗粒度可调的弹性多维调制方法、高编码增益的多级编码调制方案设计等关键问题展开深入研究,主要研究工作如下。1.针对1 00Gbps相干光传输系统中功率效率最高的四维调制格式PS-QPSK,设计了一种能够有效兼容偏振复用-差分正交相移键控PM-(D)QPSK系统的PS-(D)QPSK系统实现方案,主要包含光发射机、接收机结构设计和偏振解复用、相位模糊检测、符号判决等关键DSP算法的设计。系统仿真结果表明:PS-(D)QPSK相对PM-(D)QPSK在相同符号速率(30Gbaud)和相同有效比特速率(120Gbps)下分别获得了约2dB和0.7dB的OSNR容限提升;并且在32Gbaud符号速率离线实验中,也获得了较PM-(D)QPSK约2dB的OSNR容限提升。2.针对弹性光网络中调制格式细颗粒度调整系统频谱效率和传输距离的需求,提出了一种基于多符号奇偶校验的弹性多维调制方法。该方法能够结合多种格雷映射的调制格式如偏振复用-正交相移键控(PM-QPSK)、偏振复用-16阶正交幅度调制(PM-16QAM),通过调整关联符号数目达到改变系统频谱效率、传输距离的效果。32Gbaud符号速率下的仿真结果表明,多符号校验的PM-QPSK系统(PM-kSC-QPSK)能有效地实现系统频谱效率1.5～2 bit/symbol/polarization和传输距离8000～12600 km的细颗粒度调整,多符号校验PM-16QAM系统(PM-kSC-16QAM)能有效地实现系统频谱效率 3.5～4 bit/symbol/polarization 和传输距离 1750～2600 km 的细颗粒度调整。并且通过32Gbaud符号速率离线实验,验证了PM-kSC-QPSK与PM-kSC-16QAM系统背靠背OSNR容限的细颗粒度变化。3.为满足高速相干光传输方向相关科研中新机制与新算法的实验研究所需,设计并搭建了超1OOGbps偏振复用高阶调制-相干光传输离线实验平台。该实验平台支持PM-QPSK、PM-16QAM等多种高阶调制格式,支持发送端、接收端DSP处理,支持最高32Gbaud调制符号速率。基于所搭建的实验平台成功地完成了25Gbaud(100Gbps)-PM-QPSK 和 20Gbaud(160Gbps)-PM-16QAM 相干光传输系统背靠背离线实验。4.为了在不减小系统频谱效率的前提下降低其OSNR容限要求,增大系统传输距离,设计了一种超100Gbps的相干光传输多级编码调制方案。该方案结合性能优异的低密度奇偶校验(LDPC)编码与PM-16QAM调制格式进行多级编码调制,并依据容量设计准则设计各LDPC分量码码率,采用多级译码方法进行译码。仿真结果表明,基于LDPC与PM-16QAM的多级编码调制系统在10-4误码率下获得了约6dB编码增益。