海洋在国际政治、经济、军事、外交中的地位日益凸显,海洋问题已成为国家发展的战略问题。与传统水声通信相比,水下无线光通信(Underwater wireless optical communication,UWOC)技术具有带宽高、抗干扰能力强、功耗低、体积小等优势,将在海洋探测、海洋环境监测和海洋资源开发等领域发挥重要作用,已成为世界各国竞相发展的重要通信技术之一。UWOC可为实时、高速的近距离水下无线通信提供强大的技术支撑。为了提高UWOC的传输速率、距离和鲁棒性,本文对UWOC信道、发射端和接收端进行了前沿探索研究。对于UWOC信道,本文分析了海水对光的吸收和散射作用,研究了蒙特卡洛仿真方法,并通过该方法对基于LED光源的跨空-水界面的无线光通信信道进行了建模和仿真研究。本文提出UWOC信道存在安全问题,并通过蒙特卡洛仿真方法和实验法进行了验证。鉴于广泛研究的视距UWOC在实际海水环境中易受浮游生物、气泡、大的悬浮粒子或礁石等影响,本文提出非视距UWOC具有极大的应用前景,并实验验证了其可行性,研究了水面波浪和水的浑浊度对非视距UWOC系统性能的影响。基于软件无线电思想和数字信号处理技术,本文对发射端相关关键技术进行深入研究,以提高UWOC的传输速率、距离和鲁棒性。首先,为了尽可能地利用发光二极管(Light emitting diode,LED)有限的调制带宽,本文提出使用具有较高频谱效率的正交频分复用(Orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)技术来实现高速UWOC。其次,本文提出宽谱UWOC的概念,将红、绿、蓝激光(Laser diode,LD)混合成白光,结合波分复用(Wavelength division multiplexing,WDM)技术,实现兼具水下照明和高速通信功能的一体化系统。然后,本文提出采用阵列式LED发射端和阵列式接收端来提高UWOC的鲁棒性,并提出新的空间光叠加方案产生脉冲幅度调制(Pulse amplitude modulation,PAM)信号以解决LED的调制非线性问题。最后,本文提出并验证了通过直接调制LD泵浦的固态激光器(Diode-pumped solid-state laser,DPSSL)来产生高速、大功率、光斑质量优良的绿光信号的新概念,突破了学术界普遍认为的DPSSL不能进行高速直接调制的思维定势,为长距离水下激光通信打下了基础。在接收端,为了提高UWOC系统的鲁棒性,本文提出使用高灵敏的多像素光子计数器(Multi-pixel photon counter,MPPC)作为探测器,探索了 MPPC 在跨空-水界面的无线光通信中的优势,并研究了波浪对该系统的影响。本文还提出在UWOC系统中以太阳能电池板作为探测器,同时实现水下信号探测和能量采集的新概念,并验证了具有接收面积大、在接收端无需透镜等优点的太阳能电池板在解决水下链路对准问题上的有效性。总之,在进行UWOC系统设计时,结合实际的应用场景和水下信道特性,合理地优化发射光源和探测器,可以有效地提高UWOC的传输速率和距离,解决UWOC系统的链路对准难题,从而提高UWOC的有效性和可靠性。本文对UWOC信道、发射端和接收端进行了深入研究,突破了相关关键技术,可为未来UWOC系统设计提供技术参考。