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随着互联网业务的快速发展,尤其是基于互联网的视频应用和P2P交互式应用的爆炸式发展,骨干通信网络带宽需求迅猛增长,现有密集波分复用(DWDM)系统已经不能满足日益增长的带宽需求,提高系统传输能力势在必行。偏振复用(PDM)技术利用光的偏振维度,在同一波长信道中,通过光的两个相互正交偏振态同时传输两路独立数据信息达到加倍系统总容量和频谱利用率目的。除了低成本提高信道传输速率以外,PDM技术还可以和各种新型调制格式、相干检测技术相结合,进一步提高系统容量和频谱利用率,并利用现有数字信号处理(DSP)技术灵活地实现信号解复用和链路损伤补偿等关键功能。PDM已经成为光通信系统与网络的关键技术之一,本论文围绕PDM系统的全光和数字信号处理技术展开系列深入研究,旨在探索新型的、针对PDM系统的信号处理方法,为增强下一代光网络的可重构性和透明性,提高系统容量和频谱利用率等提供潜在的技术手段。本论文从理论分析和实验研究入手,主要内容包括以下几个方面：首先针对直接检测PDM系统提出了一种基于检测标记光光功率的全光偏振解复用方案,并通过实验验证该方案的有效性和可行性；其次,针对直接检测PDM系统探讨了相关全光信号处理技术,采用单一信号处理单元实现了PDM信号两正交偏振信道上信号的同时处理,包括：全光再生、波长转换、码型变换等；最后,重点研究和分析了相干检测PDM系统中接收端DSP处理单元中各个子功能模块的典型算法,并将相关算法应用到60-GHz毫米波光载无线(RoF)系统中以实现系统的优化设计和复杂度的降低。具体来讲,本论文创新性工作包括：(1)针对直接检测PDM系统,提出了一种基于检测标记光光功率的全光自动偏振解复用方案。搭建了实验平台,分别在2×10-Gb/s NRZ-OOK-PDM和RZ-OOK-PDM系统中验证该方案的可行性和有效性。同时研究了标记光与信号光之间的波长间隔,以及信号光光功率对解复用性能的影响。研究结果表明,当标记光与信号光之间的波长间隔太小时,由于光栅滤波器不能完全将标记光从信号光中分离出来将给信号光带来串扰。同时,在正常光功率范围内(例如不超过6-dBm),信号光光功率对信号的解复用几乎没有影响。(2)通过分析光纤中几种主要的非线性效应,提出了一种同时利用高非线性光纤中的XPM、FWM等非线性效应实现码型变换和波长组播的方案,并实验验证了该方案的可行性和有效性。在10-Gb/s系统中,采用单一信号和时钟泵浦,针对0.4-nm的密集型波分复用信道间隔同时实现了一个信道到十个信道的码型变换和波长组播,其中九个信道可测得无误码；针对0.8-nm的信道间隔系统则同时实现了一个信道到十二个信道的码型变换和组播,其中十一个信道可测得无误码。(3)针对直接检测PDM系统,提出了反向对传和偏振分集非线性环形镜两种基于光纤SPM效应的全光再生方案。研究结果表明：1)对于反向对传方案,抑制了XPM和FWM给再生器带来的性能影响；通过引入偏振滤波在很大程度上减轻了背向散射对再生器性能带来的额外损伤；经再生后,在BER=10-9处,两正交偏振态信道信号获得了约2-dB的功率代价改善。2)相对于反向对传方案,偏振分集非线性环形镜简化了再生器的结构,在再生器输出端仅使用一个偏移滤波器就实现了PDM信号中两正交偏振态信道信号的同时再生,且自动地保持再生后的两路信号具有完全相同波长和正交偏振态；在输入信号SNR为6.7-dB时,两正交偏振态信道信号经再生后的SNR改善量可达3.0-dB。(4)基于高非线性光纤中的XPM效应,针对直接检测PDM系统分别提出了采用单一处理模块实现PDM信号中两正交偏振态信道信号的波长转换和码型变换方案。实验验证了方案的可行性和有效性,并研究了波长间隔、FWM.SPM.背向散射等对波长转换或码型变换后信号性能的影响。研究结果表明：1)针对波长转换,波长转换的范围可以涵盖整个C-波段。2)针对码型变换,码型变换过程中的功率代价小于1-dB,证实了其在高速PDM系统应用的可行性。(5)研究和分析了相干检测PDM系统中接收端DSP处理单元中各个子功能模块的典型算法,并将相关算法应用于60-GHz毫米波RoF系统中。研究结果表明：1)利用D-D载波相位恢复算法在数字域实现了差分16-QAM RoF系统中光生RF信号载波与接收端本振载波源的同步,解决了RoF系统中因激光器固有线宽和相位噪声导致光生RF信号载波不稳而造成接收端载波同步困难的问题。在BER=10-3情况下,光生RF信号载波与接收端本振载波源的频率偏移量(△f·Ts)补偿范围可达：(-1.3x10-3,1.3×10-3)；2)利用基于CMA算法的蝶形滤波结构实现了PDM60-GHz毫米波MIMORoF系统中光和无线双重链路交叉串扰的盲均衡,减少了系统开销、提高了系统信道利用率和降低了系统复杂度。随着高速光纤通信系统的快速发展,各种新型调制格式和传输方式将对信号处理技术提出更多挑战,也是我们持续努力的方向。