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空间激光通信是利用光载波在自由空间进行信息传递的一种通信技术,具有频带宽、指向性好、抗电磁干扰和传输速率高等优点,逐渐成为光通信领域的研究重点,并被广泛应用于卫星通信、地面通信和军事领域。但是空间激光通信的通信链路难以中继,想要充分发挥其高速大容量优势,要求调制格式兼具高频谱效率和高功率效率特性。因此,研究适合空间激光通信的调制技术是一件重要的工作。此外,大气湍流会导致传播光束强度和相位的随机起伏,从而造成接收信号的深度衰落,导致空间激光通信系统性能下降,所以研究能够克服大气湍流影响的接收技术也具有重要的应用价值与意义。本文紧紧围绕空间激光通信系统,分别对调制技术和接收技术展开研究。在深入分析不同调制格式特性的基础上,对混合调制的性能进行了实验研究并设计了一种高灵敏度的四维调制格式;在分析了少模光纤高效的空间光接收能力基础上,分别对少模外差探测接收技术和模式分集接收技术进行了深入研究。本文的工作内容及创新点具体包括以下三个方面:1.面向空间激光通信对高谱效率、高功率效率调制格式的需求,研究并分析了混合调制的空间激光通信性能,提出了一种高性能的四维调制格式。首先,介绍并分析了光载波不同维度调制格式的原理、特点和接收性能。然后,搭建实验平台,实现了不同湍流强度下10Gbps mPPM-QPSK混合调制信号传输,研究了大气湍流强度对混合调制信号误码率的影响。最后,基于四维空间选取的星座点坐标和Gallager映射,提出了一种四维调制格式4D-nMD,研究其在不同湍流条件下的性能表现,与已知的几种同谱效率调制格式相比具有更高的功率效率。2.针对基于单模光纤接收的外差探测受大气湍流影响严重问题,提出了一种具有湍流补偿能力的少模外差探测接收技术。建立了基于少模光纤混频的少模外差探测数学模型,通过数值仿真,分析了不同湍流条件下少模外差接收的性能。采用Kramers-Kronig探测方法,搭建了基于少模外差探测的空间激光通信系统,测量了大气湍流信道下少模光纤与单模光纤的耦合特性,并实现了4Gbps QPSK信息传输,测量了系统的平均误码率与中断概率。实验结果表明:在中等和强湍流条件下,误码率达到前向纠错阈值时,少模外差探测比传统单模外差探测提升了约5dB的性能,所设计系统可以很好地补偿大气湍流效应。3.模式分集是一种新兴的利用少模光纤补偿大气湍流效应的接收技术,但是系统的电域结构十分复杂且实现成本较高。针对这一问题,提出并实现了一种基于非模式选择型光子灯笼+等增益合并(EGC)的模式分集接收系统,具有较高性能增益和较低复杂度。首先对基于模式分集接收的空间激光通信系统进行了数学建模,然后利用模式选择型光子灯笼和非模式选择型光子灯笼,分别搭建了基于模式分集接收的空间激光通信系统,并对两种光子灯笼输出端的功率分布特性进行测量与分析。最后,实现了4Gbps QPSK信号的模式分集接收,测量了系统的平均误码率与中断概率。实验结果显示:非模式选择型光子灯笼+EGC的方案在弱、中和强湍流条件下与性能上限的差异在1dB以内。