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激增的网络业务需求促使光纤通信迅猛发展，随着光信号传输速率和传输距离要求的不断提高，先进相位调制格式研究受到越来越多学术圈和工业界的关注。相位调制格式具有巨大的优势：不仅接收灵敏度比传统强度调制信号提高3dB，而且在光纤传输中有更大的非线性容忍度，此外，其高阶调制形式四相相移键控（QPSK）降低了信号波特率，减轻对高速电子器件的要求。因此相位调制信号的产生、解调、以及探测技术是关键的研究课题。近些年由于引入光相干探测技术，相位调制格式接收方式更加灵活，利用强大的数字信号处理技术还可以实现光纤传输损伤的补偿。在此背景下，本论文针对光相位调制格式的产生、信号解调和相干探测展开理论和实验研究，概括全文可以总结为以下几个方面：（1）分析了光调制的理论基础，研究了差分相移键控（DPSK）、QPSK、高阶正交幅度调制（QAM）先进调制格式的产生、解调和探测机理。（2）基于马赫-曾德尔延时干涉仪（MZDI）解调DPSK信号原理，提出了联合差分相移键控到双二进制码（DPSK-DB）调制方式应用于40Gb/s长距离接入WDM-PON下行链路传输的方案，利用了DPSK信号长距离传输的优势结合DB信号大色散容忍度和直接探测接收的特点，实现无源光网络中80公里干道传输和5公里接入传输的实验，并演示了基于一个MZDI进行4信道DPSK信号到DB信号的并行转换，节约了系统成本。（3）基于微环谐振腔（MRR）解调DPSK信号原理，提出了一种新型硅基偏振复用差分相移键控（DP-DPSK）解调器件，利用信号模式变换和多模干涉（MMI）结构实现偏振态分离，以及利用一个微环谐振腔实现双偏振态DPSK信号同时解调。首次实验展示了片上80Gb/s DP-DPSK信号的偏振解复用和相位解调。（4）基于相位调制到强度调制的鉴频原理，提出了基于硅基微环谐振腔耦合马赫-曾德尔干涉仪（MRR-MZI）器件产生超宽带（UWB）信号的新方案，该器件具有鉴频响应度高、线性度好的优点。实验演示了由高斯相位调制脉冲通过MRR-MZI器件产生正负极性UWB信号。（5）分析了光相干探测的基本原理和光相干接收机的工作机制，详细论述了不同调制格式信号恢复算法的原理及过程。通过系统仿真评估了QPSK信号恢复算法的性能和受限因素，通过传输实验数据的信号恢复，展示了算法的工作流程和均衡效果。提出了一种新型的级联盲均衡算法，在误差函数中引入相位项使得均衡器具有载波相位恢复的功能，利用最后判决信息来做误差反馈使得该算法与调制格式无关。通过QPSK和16-QAM实验数据的信号恢复证实了该算法的有效性，实验结果表明其恢复性能与经典算法相当。（6）为了提高频谱效率，提出了一种光域超强滤波的Nyquist QPSK方案，并对中间采样点形成的9-QAM信号进行处理，利用提出的一套9-QAM信号恢复算法成功抑制了码间干扰（ISI）效应。11×112Gb/s DP-QPSK25GHz间隔Nyquist-WDM背靠背实验证明该方案在接收光信噪比方面比国际领先方案改善0.5dB。另外进行了3×112Gb/s DP-QPSK信号1120公里光纤传输实验，每信道被压缩至18GHz超窄带宽，信号传输后最小误码率达到1×10-4