提出了一种基于偏振调制器(PolM)和Sagnac环级联的多调制格式微波信号的光学产生方案。理论分析了PolM在基带编码信号的驱动下产生偏振键控(PolSK)信号的基本原理, Sagnac环中嵌有两个马赫增德尔调制器(MZM), 分别对顺时针和逆时针传输的PolSK信号进行独立调制。通过合理调整两个MZM的驱动信号, 实现了幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控(PSK)微波信号的产生。在仿真实验中, 产生了比特率为2 Gbit/s的40 GHz ASK信号、20/40 GHz FSK信号和20 GHz PSK信号, 同时验证了比特率和载波频率的宽带可调谐性。Sagnac环结构提升了系统的稳定性, 并且针对每种调制格式的微波信号, 在不改变链路结构的情况下其比特率和载波频率都可以通过控制基带编码信号和MZM的射频驱动来进行独立且灵活的调谐。

自由空间光通信(FSO)具有高带宽、不需要铺设光纤、部署迅速、低功率损耗等优点,得到了广泛的关注。在Gamma-Gamma大气湍流信道下,分别考虑弱、中、强三种大气湍流强度,结合相位噪声,研究了相干探测的圆偏振调制系统的性能,推导出了误码率和中断概率的闭合表达式。在不同的大气湍流强度和相位噪声的情况下,仿真分析了相干探测的圆偏振调制系统的性能,并与直接探测系统的误码性能进行比较,结果表明,采用相干探测系统的误码性能优于直接探测系统。因此,在圆偏振调制系统中,采用相干探测方式可减小大气湍流的影响,大大降低了误码率,提高了系统的通信性能。

在自由空间光通信(FSO)中,由系统设计以及大气湍流所引起的光强闪烁和相位起伏会造成圆偏振控制误差，这严重影响圆偏振位移键控(CPolSK)通信系统的性能。因此，基于Gamma-Gamma大气信道模型，在较全面考虑光强起伏、相位噪声和圆偏振控制误差三个参数的基础上，建立了CPolSK系统信道的数学统计模型，推导了平均信道容量的闭合表达式，仿真研究了误码率在连续相位噪声下的性能以及三个参数对信道容量的影响。结果表明，光强起伏的增强和相位噪声的增大均会导致CPolSK系统性能的劣化，而提高平均信噪比在一定程度上能够改善系统性能。特别地，当圆偏振控制误差大于8°时，CPolSK系统的平均信道容量显著下降。

提出了一种新型的用于大气激光通信的6偏振键控调制方式，理论分析和仿真结果表明,光信号的偏振态和偏振度在不同大气信道模型中经过长距离传输后保持不变，因此在大气激光通信中可以采用偏振键控的调制方式。多级调制方式可以提高系统频谱效率，利用光信号的6种偏振态来传输信息将大大提高系统的带宽效率，6偏振键控调制是适合大气激光通信系统传输速率和带宽效率的一种具有吸引力的调制方式。

为充分证明偏振移位键控可有效抑制大气湍流等因素的影响这一观点，对目前大气激光通信系统中广泛采用的几种强度调制和偏振移位键控技术进行详细的分析研究，从各调制方式的功率利用率、带宽需求、传输容量以及差错性能几个方面进行对比。研究结果表明，各调制方式各有千秋，不能一概而论。综合各方面性能考虑，偏振移位键控较其他几种强度调制方式更具优越性，其具有最大传输容量、最小的带宽需求和接收误码率。由此可见，偏振调制方式更适合应用于大气激光通信。

在分析光波偏振特性的基础上，提出了偏振移位键控(PolSK)技术，即对激光偏振态参数进行调制/解调的技术。构建了基于圆偏振移位键控(CPolSK)的平衡探测大气激光通信系统，利用圆偏振光的两种旋态(左旋和右旋)进行编码通信。并对开关键控(OOK)系统与单路接收PolSK系统、平衡探测CPolSK系统进行计算机仿真，对比、分析各通信系统性能。结果表明,PolSK技术在自由空间光通信领域具有独特的优越性。平衡探测CPolSK的大气激光通信系统接收信号波形的幅值为OOK系统和单路接收PolSK系统的2倍。且在相同仿真参数条件下，平衡探测CPolSK系统的眼图也远优于OOK系统。由此可以看出，基于PolSK的大气激光通信技术可有效提高通信系统性能，在未来的自由空间光通信领域有广阔的发展空间和应用前景。

空间光通信以大气为介质进行信息传输时，不可避免地受到大气散射、大气湍流及背景光等因素的影响。针对大气信道对通信质量的影响，提出了基于激光偏振态参数的调制与解调技术，设计了一种基于偏振移位键控(PolSK)的大气激光通信系统并对其原理进行了简要分析。该通信系统采用偏振移位键控的调制方式，即利用圆偏振光的两种旋态(左旋和右旋)进行编码、调制从而实现数据的传输，接收端采用平衡探测方法进行光信号解调。对系统性能进行仿真分析，结果表明，基于激光偏振态参数的调制与解调技术在抗大气环境干扰、提高数据传输速率和降低误码率等方面具有优越性，在未来的空间激光通信领域有广阔的发展空间和应用前景。

光束的偏振特性在大气传输中变化比较小，因而偏振移位键控调制具有较高的可靠性。以星地激光通信为背景，研究星地激光通信链路的圆偏振移位键控调制的误码率性能。考虑到大气湍流的影响，采用Hufnagle-Valley大气折射结构常数模型，在Rytov方差分别为0.082，1.11这两种弱、强湍流起伏条件下，通过对比圆偏振移位键控调制和直接检测开关键控调制的误码率，得到了同等湍流起伏条件下前者误码率性能比后者突出的结论。特别是Rytov方差为0.082时，要达到10-7的误码率，它们对信噪比的要求分别是21.65 dB和30 dB, 圆偏振移位键控调制对信噪比的要求降低了8.35 dB。此外，还分析了近地面折射结构常数、天顶角和地面风速这3个因素对误码率的影响，仿真结果表明圆偏振移位键控调制的误码率比直接检测开关键控调制最少降低2个数量级。因此，圆偏振移位键控调制在未来星地激光通信中有着广阔的发展前景。

提出一个新颖的采用两个级联半导体光放大器(SOA)作为独立全光偏振调制器实现双信道偏振态位移键控(PolSK)光传输系统方案, 并进行了实验验证。从发射机端输出的PolSK光信号具有四个偏振态, 构成了两个独立的二进制数据信道。各信道数据可以采用不同的码制, 码率以及不同的时钟信号。该系统方案, 提高了通信系统的比特-符号比以及频谱利用率; 又由于PolSK光信号功率恒定, 减小了光纤链路中非线性效应对光信号的影响提高了通信系统长距离数据传输能力; 在接收机端实现了光信号的直接偏振检测, 简化了接收机的设计和成本; 又由于采用了稳偏接收模块使接收系统能够实现稳定信号接收。构成了基于本方案的实验系统, 进行了一系列基础实验和性能测试。分别进行了50 km,80 km以及100 km长距离光纤数据传输实验, 实验结果表明所提出的系统方案是有效的。