自由空间零差相干光通信具有传输速率高、功耗低、抗干扰能力强、通信距离远、保密性好、系统体积小重量轻等一系列优点,因此成为了通信领域新的研究热点。与传统的强度调制/直接检测(IM/DD)相比,空间零差相干光通信最突出的优势是灵敏度高。但是要将空间零差相干光通信真正投入到工程应用中,仍然有若干关键技术需要解决,本文主要解决平衡探测和90°光混频技术,并开展零差相干光通信实验研究。本文针对空间相干光通信的应用需求,详细分析了零差相干光通信的原理以及相关的关键技术,通过比较零差相干检测与IM/DD检测和外差相干检测,分析了零差检测的主要优势。对通信系统中的核心模块光学锁相环进行了理论分析,重点分析了两类常用的光学锁相环:平衡锁相环和科斯塔斯锁相环。对两者进行了噪声分析,计算了两锁相环的理论极限灵敏度,求出了在所需系统误码率BER=10-10下的激光器线宽与系统码率的关系。平衡锁相环虽然结构相对简单,但是对激光器线宽要求较高,是系统比特率的5.9 106??倍;科斯塔斯锁相环结构比较复杂,但对激光器线宽要求较低,是系统比特率的5.02 104??倍。对零差相干光通信系统中的平衡探测器和90°光混频器进行了理论分析,并对由于元器件的误差所造成的性能影响进行了分析。根据理论分析的结果,设计了平衡探测电路以及90°光混频器。经过测试可得,平衡探测器带宽为750MHz,光电转换率为240V/W。成功组装了90°光混频器,测得耦合效率为49.9%,平均相对相差与理论值相差5°。按照方案设计,搭建了实验平台,通过激光晶体温度和粘在激光晶体上的压电陶瓷来对本振激光器进行调谐,分别进行了基于平衡锁相环和基于科斯塔斯锁相环的通信实验。在基于平衡锁相环的通信系统中,在1.25Gbps通信速率下,信号光功率为-54dBm时,系统误码率为5.31×10-7,通信速率改为2.5Gbps,信号光功率为-50dBm时,系统误码率为3.12×10-6。完成了基于科斯塔斯锁相环零差相干光通信。