高频谱效率奈奎斯特相干光通信理论和实验研究

Digital coherent-detection optical communication system based on Nyquist pulse shaping is an important trend of high speed optical communication. This project will focus on high spectral efficiency Nyquist coherent optical communication technology and conduct the following studies both theoretically and experimentally: establish the theoretical and the simulative system models for Nyquist coherent optical communication employing multilevel modulation formats, develop modulation format-transparent channel estimation and equalization and build up the corresponding scheme of digital signal processing; develop carrier phase recovery method with high phase noise tolerance, realize Nyquist superchannel coherent transmission with low cost megahertz linewidth laser; investigate ultrahigh-speed Nyquist coherent transmission systems with different high order multilevel modulation formats and hybrid modulation formats with variable spectral efficiency, study the mechanism of nonlinear distortions and the degradation of channel capacity for superchannel fiber transmission with different optical subcarrier bandwidth granularities, develop the corresponding nonlinear compensation scheme; develop joint equalization between different optical subcarrier within the superchannel, study multilevel coherent transmission system approaching ideal Nyquist channel spacing. The expected accomplishments can lay a solid foundation for the application of high spectral efficiency Nyquist coherent optical communication with multilevel modulation formats.

基于奈奎斯特脉冲成形的数字相干检测光通信技术是高速光传输领域的重要发展方向。本项目将以高频谱效率奈奎斯特相干光通信技术为研究中心，在理论和实验两方面开展如下工作：建立多进制调制格式奈奎斯特相干光通信系统的理论和仿真模型，发展调制格式透明的信道估计与信道均衡技术，建立相应的数字信号处理算法体系；发展高相位噪声容忍度的载波相位恢复方法，采用低成本兆赫兹线宽激光器实现奈奎斯特超级光信道相干光传输；研究不同高阶多进制调制格式和可变频谱效率的混合调制格式奈奎斯特超高速相干光传输系统，阐明采用不同光子载波带宽颗粒度情况下,超级光信道非线性光纤传输损伤物理机制及其对信道容量的影响，并发展相应的非线性补偿技术；发展超级光信道光子载波间联合均衡技术，研究逼近理想奈奎斯特信道间隔的多进制相干光传输系统。预期研究成果将为多进制调制格式高频谱效率奈奎斯特相干光通信技术的应用奠定坚实基础。

本项目以高频谱效率奈奎斯特相干光通信理论和实验研究为中心开展科研工作，取得了以下主要成果：提出调制格式透明的时域和频域信道估计与均衡方案，建立了高频谱效率高阶调制格式奈奎斯特光传输实验平台，实现基于发射端和接收端MHz量级线宽激光器的T比特奈奎斯特光传输系统。实现1.25Tb/s偏振复用奈奎斯特64QAM光信号传输400km，515Gb/s偏振复用奈奎斯特128QAM光信号无中继传输120km，447Gb/s偏振复用奈奎斯特64QAM光信号无中继传输160km。提出正交频分复用交错正交幅度调制光传输系统频域和时域信道估计方法和相位噪声抑制方法。提出正交波带交错正交幅度调制超级光信道方案，实现可变速率和颗粒度的奈奎斯特交错正交幅度调制光传输系统。实现单波长速率448Gb/s、总容量1.792Tb/s偏振复用奈奎斯特16QAM波分复用外差相干检测光传输系统，取得外差相干光传输最高速率纪录和最高频谱效率纪录5.71bit/s/Hz。提出发射端数字强滤波和接收端部分响应均衡方案，实现信道间距55GHz、60Gbaud 偏振复用16QAM信号、30路波分复用、总容量14.4Tb/s的超大容量超奈奎斯特光传输系统。实现32Gbaud偏振复用16QAM 信号的11路波分复用1400km单模光纤相干光传输，完成高波特率光传输系统无需相邻信道信息的信道间非线性补偿。针对单波400G/800G 奈奎斯特波分复用系统，研究了不同颗粒度高波特率光传输系统非线性补偿方案。提出迭代均衡方法补偿信号-信号间拍频串扰，基于单边带奈奎斯特64QAM信号实现单偏振自相干检测T比特波分复用系统最高频谱效率纪录3.25 bit/s/Hz。提出预均衡方法补偿光纤非线性，实现112Gb/s单边带自相干检测系统长距离传输960km。提出非对称孪生单边带方案，实现224Gb/s单边带自相干检测光传输240km以及300Gb/s单边带自相干光传输80km。提出基于正交偏置载波的偏振复用单边带自相干光传输方案，实现320Gb/s 偏振复用奈奎斯特16QAM单边带信号传输80km。本项目在高速高频谱效率奈奎斯特相干光传输，超大容量超奈奎斯特相干光传输，高速单边带自相干检测光传输，奈奎斯特相干光传输光纤非线性补偿等方面取得了多项创新性成果，将为高速相干检测光纤通信系统的实际应用提供理论指导和技术方案。