为了缩小矩形正交幅度调制（QAM）方式和香农极限的差距，探究高斯信道下的星座整形性能，设计一种应用于卫星间激光通信的几何整形与概率整形相结合的方案。将星座点的判决范围视为圆形，从图形的紧密排列角度出发提出几何整形的思路，再利用编码映射技术使各个星座点概率分布符合麦克斯韦-玻尔兹曼分布。几何整形与概率整形相结合可以进行非常规星座点数的星座设计。在功率限制的前提下，进行了信息熵为3和星座点数为8~13、信息熵为4和星座点数为16~23的仿真和相干光通信系统实验。在仿真理论中，误码率约为5×10^-3时，相比常规8QAM和16QAM，矩形QAM分别取得了约1 dB和1.3 dB的增益。同时还进行了8点和16点的几何整形的仿真和实验，相较于矩形QAM，分别有约0.1 dB 和0.22 dB的性能提升。

提出并制备了一种基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）增敏的级联双腔温度传感器，该传感器由PDMS腔和空气腔级联而成，且级联双腔的光程相近，从而干涉谱产生游标效应。此外，空气腔的两端均为PDMS，当温度增加时，空气腔两端的PDMS因膨胀同时挤压空气腔，大幅提高了空气腔的温度响应。在PDMS膨胀和游标效应的双重作用下，该传感器具有非常高的温度灵敏度。实验结果表明，在40~42 ℃范围内，传感器的温度灵敏度约为-20.55 nm /℃，相比单个PDMS腔提高了37倍。该传感器具有结构紧凑、灵敏度高、稳定性好等优点，具有很好的应用前景。

利用密度矩阵理论构建的损伤模型结构简单，无需任何辅助矩阵，因此分析复杂度较低，在对光通信系统中光信号的损伤进行分析与补偿时凸显出巨大优势。将该理论初步应用至模式数目为2的偏分复用系统中，建立偏振模色散与偏振态旋转并存时的损伤模型，搭建了28 GBaud偏分复用正交相移键控相干光通信仿真传输系统，实现了30~170 ps大范围差分群时延与300 krad/s~2 Mrad/s快速偏振态旋转的联合补偿，验证了基于密度矩阵理论的损伤模型以及联合补偿方案在光通信系统中的有效性。该研究为下一步推广至N维模分复用系统中光信号的损伤分析与补偿提供了有效的途径。

随着物联网的快速发展，智能设备需要高精度、实时的定位服务。为了解决现有可见光定位技术中存在的只能实现二维定位、系统复杂、定位精度低、定位时间长的问题，本文提出了一种基于两个发光二极管（LED）和图像传感器的可见光三维定位系统。首先结合针孔成像模型和畸变模型建立了仿真模型。然后提出了一种基于二分及双指针的条纹搜索算法来快速确定LED在图像上的位置。最后利用LED在图像上所成像的几何特征实现三维定位。经计算，系统在100cm×100cm×300cm的空间内，仿真实验的平均定位误差为0.79cm；实物实验的平均定位误差为5.61cm，平均定位时间为64.13ms。此外，与线性法的条纹搜索方法相比，提出的条纹搜索算法的时间性能提升了70.06%。因此，该定位系统能提供良好的三维定位服务。

相敏光时域反射仪（φ-OTDR）广泛应用于管道安全预警、光缆断点查找、清管器定位跟踪等场景，其传感光缆多埋于地下，土壤性质、传输距离、光缆结构等均对信号特征有所影响。本文研究了振动信号在土壤中的传播特性，探究了光缆结构、土壤湿度、传输距离等非事件因素对系统信号特征的影响。此外，从特征频段能量变化趋势的角度，研究了真实冲击振动与非事件性信号波动的区别，并由此提出了一种外部冲击振动的判别方法。

许多幅度再生方案可用马赫‐曾德尔干涉仪（MZI）结构进行建模。研究级联光学相位共轭器（OPC）的MZI（OPC‐MZI）再生方案，以实现近乎理想的相位保持再生。通过分析整个级联系统的功率和相位转移特性，优化设计了满足需求的硅基MZI再生芯片单元。采用正交相移键控（QPSK）调制信号仿真验证了OPC‐MZI再生方案的可行性。仿真结果表明：当输入信噪比为16 dB时，与单级MZI再生芯片相比，OPC‐MZI再生方案的噪声抑制比（NRR）可提高1 dB，相位扰动也由5.7°降至0.07°。

本文首先从理论上分析了在共极化双泵浦方案中，波长转换不会改变概率整形（PS）信号的概率分布，并且正交频分复用（OFDM）信号子载波的顺序可以保持不变的原因。然后，通过实验验证了全光波长转换后，PS-64QAM-OFDM信号通过高非线性光纤在零差相干检测系统中的传输。最后，通过实验证明，当波特率为20 Gbaud、误码率为1×10^-2时，普通64QAM信号的光信噪比（OSNR）损耗为1 dB，PS-64QAM信号的OSNR损耗改善了0.5 dB。

针对现有光无线正交频分复用（OFDM）索引调制均需接收端已知信道状态信息的问题，通过构建满足差分运算的时频弥散矩阵进行索引映射，提出了一种差分索引移位键控光OFDM方案。推导出了该方案在最大似然准则下的平均误码率上界，并与子载波索引移位键控直流偏置光OFDM（SISK-DCO-OFDM）系统进行了性能对比。其次，依据差分信号的特点，构造了一种适用于机器学习的差分信号特征向量，并结合径向基神经网络提出了一种多分类检测器，有效降低了译码复杂度。结果表明，所提差分索引方案有效避免了复杂的信道估计，同时在高信噪比下获得了近似SISK-DCO-OFDM的误码性能。所提检测器取得了近似差分最大似然检测算法的误码性能，而且复杂度大大降低，例如当子载波块长度为2和4时，所提检测器的复杂度分别降低了16.67%和70%。

光混沌信号受限于光纤中的色散和非线性效应，难以实现远距离同步。同时，由于光注入混沌同步采用纯光域信号处理，无法与现有通信系统中的电域非线性补偿融合。因此，从非线性薛定谔方程出发，提出色散管理与基于光域的非线性管理相融合的技术方案，实现激光混沌远距离同步。然后，详细研究了不同传输距离、不同注入强度下的同步和传输特性。结果表明，在传输距离为1000 km、注入强度为0.5 mW情况下，系统能够实现信息速率为1 Gb/s的保密通信，同步载波相关系数能够达到0.97以上。

为了吸纳业务的不确定性并将业务网络灵活高效地映射到数据中心的物理网络中，研究了弹性光数据中心网络中业务模型为软管模型的动态虚拟数据中心映射问题。首先建立了软管虚拟机在弹性光数据中心网络中的映射模型，然后提出了基于虚拟拓扑图的虚拟机放置算法（VT-VMPA）。VT-VMPA首先将软管模型转化为管道模型，再由业务量最大化原则寻找核心虚拟机。然后按照业务量降序，将满足资源约束条件且与核心虚拟机相连的虚拟机合并成簇，以减少簇映射到服务器后的通信带宽需求。最后将构成簇集按跳距自适应和最短路径原则映射到弹性光数据中心网络的服务器和光路上。仿真结果显示，该算法与其他算法相比，平均带宽消耗减少了21%、阻塞率减少了27%、时间平均收益提高了117%。这表明该算法能够降低网络带宽资源的消耗、提高网络映射率。