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随着目前通信业务量的不断增长,人们对通信容量及通信速率的要求越来越高。高速光纤通信系统正由原来每波长信道40Gb/s升级到商用化的每信道100Gb/s,实验室也在探索单根光纤实现Tb/s乃至Pb/s的传输系统。原来在低速光纤通信系统中无需考虑的光信号偏振态变化所带来的信号损伤已成为限制高速光传输系统性能的主要因素。因此,如何快速、准确地实现偏振态稳定控制是高速光通信系统中一个十分重要的问题。偏振复用技术能够将光纤传输系统的频谱效率提高一倍,而且不会大幅增加系统复杂度,因此成为提高光纤通信系统传输容量的重要技术之一。由于在光纤链路中偏振态会发生随机变化,在接收端我们需要对信号偏振态进行实时控制,以消除信号间串扰,实现偏振解复用。偏振控制即可以在光域进行,在光域直接对信号施加影响以改变其偏振态。也可以在电域对接收信号进行均衡,实现偏振相关的信号损伤的补偿。本文针对以上问题和需求展开研究,一方面研究基于偏振跟踪直接检测方案的偏振稳定控制技术,另一方面研究基于相干接收机偏振均衡相关算法。对以上两方面的研究,完成的主要工作及创新包括以下内容：1)详细设计并实现了基于偏振跟踪直接检测方案的偏振稳定控制系统。首先对基于偏振跟踪直接检测方案进行理论分析与仿真,验证该方案实现偏振稳定控制的可行性。设计硬件平台,包括反馈信号采集模块、基于DSP的数字信号处理模块与偏振控制模块。反馈控制算法是系统实现偏振稳定控制的关键,本文选用粒子群优化算法作为反馈控制算法,并对传统粒子群优化算法提出改进,改进的自适应权重-粒子群优化算法能有效减少算法迭代次数。搭建实验平台,完成19Gb/s NRZ-OOK调制格式、20Gb/s NRZ-OOK调制格式、10Gb/s NRZ-PSK调制格式、20Gb/s NRZ-PSK调制格式信号偏振稳定控制实验,验证基于偏振跟踪直接检测方案偏振稳定控制与系统传输光信号调制格式与调制速率无关。2)研究基于相干接收机的偏振均衡技术,研究恒模算法实现偏振解复用的原理,提出将卡尔曼滤波算法应用于相干接收机偏振均衡领域实现偏振解复用。搭建基于卡尔曼滤波算法的PDM-QPSK仿真系统,对系统中偏振状态变化建立模型,设计卡尔曼滤波器估计信号的偏振态,实现偏振态的恢复和跟踪；3)研究基于相干接收机的载波相位恢复,研究四次方法实现载波相位恢复的原理,将卡尔曼滤波算法应用于相位噪声估计实现载波相位恢复。建立相位噪声估计误差模型,搭建仿真系统,验证算法在相位噪声估计与载波相位恢复应用中的性能。