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近年来,互联网、视频点播、大数据、云计算等宽带信息业务快速发展,各种通信业务对带宽的需求呈指数方式增长,光纤传输网络资源耗尽,传统的10/40Gb/s 强度调制/直接检测（IM/DD,intensity modulated direct detection）光通信系统已不能满足现代通信业务的需求。虽然掺饵光纤放大器（EDFA）、波分复用（WDM）、密集波分复用（DWDM）等技术可以提升光通信系统容量,但其可发展空间已被挖掘殆尽,而传输网络的重新部署需要很高的成本。因此,为满足当今社会宽带信息业务的爆炸式增长对传输容量和频谱效率的要求,基于高阶调制码型、相干检测以及数字信号处理（DSP）技术的相干光通信系统,成为超高速、超大容量光通信网络研究的热门。本文主要围绕高阶QAM调制码型、相干检测、电域实现信号损伤补偿等相干光通信系统关键技术展开深入研究,主要的研究成果有:1)研究了星形、方形、环形16QAM信号生成方案,提出一种环形16QAM信号生成方案并验证了基于环形16QAM调制的相干光通信系统的性能,最后对比分析几种信号生成方案的优缺点。2)分析了相干检测原理并探讨了相干光通信系统中信号的各种损伤,搭建基于不同高阶调制格式（QPSK、16QAM、64QAM）的相干光通信系统,仿真得到损耗对不同系统的影响。3)研究了色散补偿、偏振解复用、非线性补偿、载波相位噪声估计等数字信号处理算法,特别研究了几种载波相位噪声估计算法。搭建传输系统,仿真实现了各补偿算法对接收信号的有效补偿。4)搭建基于方形 DP-16QAM 调制方式的 112Gbit/s、224Gbit/s、336Gbit/s 相干光通信系统并对系统性能进行了研究。在FEC阈值3.8×10-3下,通过DSP补偿技术,分别仿真实现了 112Gbit/s、224Gbit/s DP-16QAM 信号 3520km、3100km的传输,并得到112Gbit/sDP-16QAM系统的最佳入纤功率为-1dBm。仅考虑光纤色散损伤与补偿情况下,误码率容限为2×10-3时,112Gb/s、224Gb/s、336Gb/s DP-16QAM 系统的可传输距离分别为 2400km、1700km、1150km。112Gbit/s DP-16QAM系统,采用非线性补偿与无非线性补偿相比,误码率至少降低了一个数量级;仅考虑色散、非线性时,系统非线性最优加权系数为1.9,最佳补偿步长为60km;当FEC阈值为3.8×10-3时,与理论值相比,载波相位噪声估计后系统仅存在3.2dB的信噪比代价。