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随着交互式游戏、高清点播电视、视频会议、远程教育等高带宽网络业务的日益普及,人们对光纤传输系统的传输容量提出了更高的要求。数字相干光传输,采用相干检测及数字信号处理,一方面使得高阶调制格式及多维复用技术在单模光纤传输中的应用成为可能,极大地提升了系统的频谱效率及单纤传输容量；另一方面也为光纤链路中色散、偏振模色散、非线性效应等传输损伤的灵活补偿提供了新的选择,保证了高速光传输信号的传输质量。因此,数字相干光传输技术成为下一代高速大容量光纤传输系统的必然选择。本文围绕高速大容量数字相干光传输,针对先进调制码型、多维复用及数字相干检测等关键技术展开了深入的研究,主要研究内容及创新性研究成果如下：(1)提出了一种基于CMA-MIMO均衡的Nyquist-WDM传输技术,解决了传统LMS-MIMO均衡法应用于Nyquist-WDM传输系统中对相位噪声敏感的问题。研究结果证明,CMA-MIMO均衡算法支持线宽20MHz以上的光频梳光源在Nyquist-WDM数字相干光传输系统中的应用。同时,MIMO均衡技术能有效地消除Nyquist-WDM系统中相邻信道频谱重叠引起的信道间干扰(ICI)。因此,仿真中对3x224Gbps DP-QPSK Nyquist-WDM信号,采用CMA-MIMO均衡算法能获取4.48bit/s/Hz的频谱效率而不引起信号传输质量的明显下降。Nyquist-WDM系统中16QAM信号相较于QPSK信号更容易受ICI及码间干扰(ISI)影响,我们提出采用LMS-MIMO反馈均衡技术,进一步实验验证了3×160Gbps双载波DP-16QAM Nyquist-WDM信号在640km单模光纤中的传输,获得了6.4bit/s/Hz的频谱效率。(2)研究了基于最大似然序列检测的Nyquist-WDM传输技术,通过对基于归零(RZ)、载波抑制归零(CSRZ)和非归零(NRZ)脉冲调制的Nyquist-WDM信号进行传输性能分析,证明了在Nyquist-WDM传输系统中,通过在最大似然检测之前引入双二进制(duobinary)响应数字滤波器,能有效地抑制相邻信道频谱重叠引起的ICI影响以及降低最大似然检测的运算复杂度。仿真结果还表明,在背靠背的情况下,无论采用NRZ、CSRZ还是RZ脉冲调制,Nyquist-WDM信号传输的性能都基本相似,而在长距离单模光纤链路的情况下,RZ和CSRZ脉冲调制具有更好的抗非线性效应能力,传输后信号Q质量因子更高。(3)基于一种具有大模式差分群延时的新型少模光纤,提出一种级联MIMO延时均衡方法,有效地消除模分复用传输系统中模分复用器和解复用器的耦合串扰。采用制备的少模光纤,对传输速率为80Gbps的QPSK两模复用系统进行仿真,结果证明,相比于普通MIMO均衡,级联MIMO延时均衡能获得1.7dB的Q质量因子提升。因此采用级联MIMO延时均衡技术能有效地消除基于少模光纤的模分复用信号间串扰。(4)提出了一种快速盲色散估计的方法,在数字相干接收机中通过对相干检测后的信号做数字频谱叠加,能对长距离光纤链路的累积色散值进行快速、准确地估计。理论研究证明该色散估计方法既能有效地兼容于RZ/CSRZ/NRZ脉冲调制的DP-QPSK及DP-16QAM信号,也能兼容于采用升余弦滤波器滤波的Nyquist-WDM传输信号。实验结果表明只需4096个采样点,就能在数字相干接收机中实现7×112Gbps DP-QPSK信号在0-105ps/nm范围内的累积色散的估计,由于色散估计误差值引起的残留色散能通过低复杂度的数字偏振解复用模块进行完全补偿。