偏振效应是当前光纤技术领域中的一个热点问题。一方面光纤系统中大量的偏振问题如偏振相关损耗、偏振模色散、消偏振等在高速情况下变得非常严重,导致系统性能的恶化,已成为高速光纤通信系统速率升级的瓶颈;另一面,偏振效应在高速光信号处理中的优势,促使各种新技术如偏振光开关、偏振光编码、偏振光逻辑等迅速发展起来。无论在偏振问题的解决还是偏振效应的应用中,偏振控制都是一个核心技术。高速偏振控制能快速补偿光纤系统中各种偏振相关的信号损伤,大幅度提升系统性能,保证高速偏振相关器件功能的实现,至关重要,是目前光纤技术领域的关键课题之一。编码格式是40Gb/s及以上速率的光纤通信系统中的一大难题。在现有编码格式的通信系统中,向40Gb/s速率的升级加剧了非线性效应引起的信号损伤,造成偏振模色散的功率代价成倍增长,信噪比严重恶化,谱效率低下,最终导致误码率急剧上升。因此,寻找新的编码格式是当前光纤通信领域的迫切任务。偏振编码是一种全新的编码格式,它具有天然的功率均衡性、偏振特性好、功率代价小等优势,可大大降低系统中的非线性效应、抑制偏振模色散、降低误码率、提高谱效率,因此偏振编码通信的实现将推动高速光纤通信更快地发展。本文首先详细分析了光纤及通信系统中的各种偏振效应,包括偏振控制器与半导体光放大器(SOA)的偏振特性,在国家“863”项目与国家自然基金项目的支持下,对光纤偏振态的高速控制、高速偏振编码通信及高速信号源等问题展开了系统深入的研究,提出了多项关键技术,实现了高速偏振控制与偏振编码通信。本文取得的创新性成果主要有:1.在Mueller矩阵极分解的基础上,对光纤与SOA中的偏振效应进行了深入研究,提出一种精确获得偏振旋转(或双折射)矢量的差分旋转法,适合于光纤在扰动较大的复杂环境中的长期测量,大大提高了Mueller矩阵测量方法的精度与抗干扰能力;建立了一种能够表征实际应用中SOA的3种效应(偏振旋转、偏振相关增益、偏振无关增益)及其关系的参数模型,利用该模型得到了SOA正交偏振旋转的必要条件,解决了SOA偏振旋转效应在偏振编码通信系统中的应用问题。2.提出一种计算圆单模光纤中压应力函数及其应力分布的方法,得到了光纤与纤芯中应力分布的解析解,解决了光纤的弹性形变及极限压应力问题;应用矢量微扰法获得了适用于圆单模光纤的压应力双折射,精密的实验测量验证了所得理论结果的正确性;得到了压力大小及方向与双折射矢量的函数关系式,提供了一种不仅能检测压力大小,而且能够获得压力方向的光纤传感方法。3.首次将广义偏振主态概念引入对PZT挤压光纤所致弹光效应的特性分析,提出多元主态的概念,得到了双单元、三单元压电偏振控制器(PPC)输出偏振态与驱动电压解析形式的主态模型;提出并实现了一种基于开环控制的光纤偏振态高速控制方法,将传统偏振控制速度提高2～3个数量级,达微秒量级,成功地应用三单元PPC进行了高速偏振态发生器实验。其中,光纤偏振态的高速开环控制方法被“Optics Letters”评论员评价为“great work(杰出工作)”。4.提出一种基于SOA交叉偏振调制的光脉冲数字差分方法,实现了提取脉冲前沿的单边差分和同时提取脉冲前后沿的双边差分技术,应用双边差分法实验成功一种高速的全光差分器,所得差分信号的脉宽比基于SOA交叉增益调制的差分器获得的更窄;应用这种双边差分法,成功地将5Gb/s的低速信号倍速到40Gb/s,获得了高速信号源。其中,基于SOA交叉偏振调制的双边差分方法被“OpticsLetters”评论员评价为“a novel technology(一项创新技术)”。5.提出一种基于SOA泵浦光控正交偏振旋转的数字偏振编码方法,实验成功12.5Gb/s基于差分接收的偏振编码通信;观察到偏振编码过程中的偏振不稳现象,找到了偏振旋转效率最高的泵浦波长,提供了一种克服交叉增益调制影响的功率均衡方法;对40Gb/s的单波长与4×40Gb/s多波长偏振编码通信系统数值模拟结果表明,偏振编码格式使用的传输功率更小,能较好克服光纤非线性效应的影响,显著降低误码率。其中,基于SOA正交偏振旋转的偏振编码方法被“Optics Letters”评论员评价为“a significant contribution(一项重要贡献)”。