利用相位优化实现Stokes空间复用系统的频谱压缩

Due to the increasing demand of the communication, the short-reach optical interconnect network is evolving from intensity-modulation-direction-detection to multidimensional communication system. The multidimensional communication systems based on Stokes parameter receiver have received considerable attention in recent years. In this proposal, we propose to optimize the common phase in the Stokes space multiplexing system, so as to compress the signal spectrum and enhance the spectral efficiency. Although optimizing the common phase requires 4-D transmitter instead of 3-D transmitter, the optical and transmitter electrical 3-dB bandwidth can be reduced to 1/2 and 1/4 baud rate, respectively, due to the spectrum compression effect. When using duo-binary code, the optical and transmitter electrical 3-dB bandwidth can be further reduced to around 1/4 and 1/8 baud rate, respectively. The content of this project includes: 1. The performance limit in spectrum compression enable by phase optimization. 2. The realization of the phase optimization algorithm. 3. The performance analysis of the spectrum compressed Stokes space multiplexing system with coherent detection.

由于通信需求的增长，短距离光互联通信系统正在由传统的直调-直检系统转变为多维度光通信系统。基于Stokes接收机实现多维调制的直检系统是近几年受到了一定的关注。本项目提出在Stokes空间复用系统的基础上，通过对传输信号序列的相位进行优化，以压缩信号的频谱，从而实现高谱效的直检通信系统。尽管实现相位优化需要将发射机的复杂度从3维增加到4维，但由于频谱压缩的效果，光谱和发射机电谱的3dB带宽分别降至1/2和1/4波特率。而当信号采用DB码以后，两者还可分别降至1/4和1/8波特率左右。本项目的研究内容包括：(1)利用相位优化实现频谱压缩的极限性能，(2)相位优化算法的实现，(3)频谱压缩的Stokes空间复用系统在相干检测下的性能分析。

本项目完成了利用相位优化实现频谱压缩的Stokes空间复用系统。通过相位优化，我们可将3维Stokes空间信号转化为4维3/4带宽的Jones空间信号，使得在发射机可以进行色散补偿。所以在此系统上，我们首次提出了一种不增加硬件复杂度和成本的可以无损补偿色散的直接检测系统。完成的内容具体包括：理想Stokes信号的频谱压缩，基于查表法的低复杂度的频谱压缩，以及在相干检测接收机中利用相位进行纠错的研究。实验中，受光电探测器线性度所限，我们进行了20km的标准单模光纤的传输。除此之外，我们还将频谱压缩技术应用到了同为非线性系统的长距离相干系统中。我们研究发现，在收发机严格带限的Kerr非线性主导的链路中，利用频谱压缩将信号定义在接收端是一种更理想的传输方案，仿真结果表明该方案优于目前存在的诸如数字反向传播、Volterra级数等其他非线性补偿方案。由于目前绝大部分非线性信道的通信都是基于线性信道传输方案改进而来，其逻辑结构和线性信道并无本质差别。综合以上两个工作我们首次总结出一种更优的非线性信道传输的方案：首先，信号应该定义在接收端，其次，非线性传输的核心是对于接收机无法接收到的信息进行优化以实现频谱压缩。以Stokes空间复用为例，Stokes接收机无法接收共同相位信号，所以我们需要在发射机进行相位优化。而在Kerr非线性的场景中，带限接收机无法探测带外信号，所以我们需要把信号定义在接收端，并寻找一个合适的假想带外信号使得该信号和原始信号合并再经过光纤反传后可以实现频谱压缩。除了以上工作，我们还进行了偏振空间复用系统的偏振旋转跟踪，并提出了一种利用线性卡尔曼滤波器追踪互补斯托克斯向量的偏振跟踪和预测的方案。