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随着第五代移动通信系统(5G)的逐渐部署,物联网、虚拟现实、移动互联网以及云计算等业务的蓬勃发展,带来了全球信息流量的爆炸式增长。面对海量的数据传输需求,无论是作为核心骨干网长距传输的相干系统还是数据中心之间短距互联的直接检测系统都面临着巨大的挑战,建立高速率、大容量、高频谱效率的光纤通信系统成为了通信传输的共同目标。先进调制格式的提出,如正交相移键控(Quadrature Phase Shift Keying,QPSK)、16进制正交幅度调制(16 Quadrature Amplitude Modulation,16QAM)或更高阶的调制格式有效增加了系统的频谱效率;各种复用技术的发展,如偏分复用(Polarization Division Multiplexing,PDM)、波分复用(Wavelength Division Multiplexing,WDM)甚至空分复用(Space Division Multiplexing,SDM)极大的提高了光通信系统的传输容量。因此,伴随着全球数据流量的爆炸式需求,以及一系列重大技术的突破,光纤通信系统正以蓬勃的生命力持续发展。然而,光信号在光纤信道传输的过程中,不可避免的会经历色度色散(Chromatic Dispersion,CD)、偏振态旋转(Rotation of State of Polarization,RSOP)、偏振模色散(Polarization Mode Dispersion,PMD)以及偏振相关损耗(Polarization Dependent Loss,PDL)等损伤,这些损伤会造成光信号畸变,严重影响通信系统的传输性能。数字信号处理(Digital Signal Processing,DSP)技术的发展,使得上述损伤可以在接收机的电域得到均衡。然而,随着光纤通信系统传输速率与调制格式的不断提升,使得单一的信道损伤及多种损伤之间的联合作用加剧,原来针对低速率、单一损伤的均衡算法变的捉襟见肘;其次,在一些极端偏振损伤场景下(比如火车经过时的剧烈震动和雨天的雷击),均衡算法的性能将急剧下降甚至失效,导致通信中断;此外随着系统传输速率的提高,对信道损伤理论模型的研究也面临着挑战。综上所述,对均衡算法的突破以及损伤模型的完善对保障通信系统稳定运行具有重要意义。针对以上存在的问题,本论文围绕高频谱效率光纤通信系统中偏振损伤均衡这一主题,剖析偏振损伤产生的物理机理,建立了三参量的RSOP模型,提出了基于卡尔曼滤波器(Kalman Filter,KF)的高效信号损伤均衡方案,以保证通信系统正常和稳定运行,为电信运营商和设备制造商提供核心的技术支撑。本论文的创新性和研究工作如下:(1)光纤信道中RSOP建模与快速RSOP损伤均衡研究本论文创新性的提出了RSOP的三参量模型,该模型可以准确、完整的对链路中的偏振态变化进行描述;在三参量RSOP模型的基础上,设计了基于卡尔曼滤波器的均衡方案。对于QPSK信号,该方案对RSOP的追踪速度可达百兆弧度每秒,对于16QAM信号,追踪速度可达十兆弧度每秒。(2)快速RSOP和PDL联合均衡方案研究本论文提出了一种基于偏振时间编码(Polarization-Time Code,PTC)和卡尔曼滤波器的联合均衡方案。首先对光纤信道中RSOP和PDL联合损伤模型进行了化简,在简化模型的基础上,设计利用斯托克斯空间补偿两偏振支路的功率差,利用卡尔曼滤波器追踪快速RSOP,利用偏振时间编码缓解由光信噪比(Optical Signal to Noise Ratio,OSNR)不平衡导致的误比特率(Bit Error Rate,BER)问题。在1.2dB的OSNR代价下,所提方案可以均衡7dB的PDL结合1Mrad/s的RSOP,实现了快速RSOP下,对PDL引起的两偏振支路功率与OSNR不平衡的均衡。(3)斯托克斯矢量直接检测(Stokes vector direct detection,SV-DD)系统中CD与RSOP联合均衡研究本论文提出了一种新的卡尔曼滤波器架构,在此基础了设计了一种对SV-DD系统中CD与RSOP联合盲均衡方案。本文首先分析了SV-DD系统中CD和RSOP联合损伤补偿的困难性,之后通过设计时频域卡尔曼滤波器构架,实现在时域均衡RSOP,在频域补偿CD。所提方案可以完成对累积CD值达到2550ps/nm(相当于150km的G.652光纤)结合RSOP速率高达2Mrad/s的损伤均衡。解决了 SV-DD系统中CD和RSOP联合均衡的难题。