新型高速大容量长距离光纤频域传输机理和方法研究

目前高速光纤通信正向单信道传输100Gb/s甚至400Gb/s的方向发展，这也是国家信息化建设的需要，对高速大容量长距离光纤通信技术提出了巨大的挑战，各种新技术层出不穷，但都没有从根本上解决传输中色散、偏振模色散和非线性等带来的信号畸变问题。本项目提出一种新型的光纤传输方法：光信号频谱包络传输方法。其原理是利用光信号在光纤中传输时，在只有色散的线性条件下光信号频谱包络保持不变，而在非线性条件下其时域包络保持不变的原理，将原始光脉冲通过全光时-频傅里叶变换变换到频域或者分数阶傅里叶变换的方法变换到时域和频域之间的某一个区域，使得变换后的光信号具有很强的抗色散和非线性效应的性能，再将变换后的信号送入光纤中传输，在接收端只需要用一个相反的器件恢复出原始信号。这样只需在现有系统中增加两个全光时域傅里叶变换/反变化器，而不改变现有的线路配置，就能在现有的10G、40G系统传输100G和400G信号。

目前光纤通信单信道传输1Tb/s，对高速大容量长距离光纤通信技术提出了巨大的挑战，各种新技术层出不穷，但都没有从根本上解决传输中类似色散、偏振模色散、激光器线宽的相位噪声等这样的线性损伤以及自相位调制，交叉相位调制，受激布里渊散射，瑞利散射，受激拉曼散射等这样的非线性效应等带来的信号畸变问题。本课题首先研究了光脉冲在光纤中传输的线性和非线性损失机理，找到了实现线性损伤补偿的新方法—光纤频域传输方法即光频域包络传输方法来抗色散、PMD和时间抖动等线性畸变，并通过实验验证了传输２００公里２0Gb/s IM-DD系统无色散补偿无误码。同时研究高速光纤传输系统中非线性Kerr效应的影响，提出了一种分数阶域的抗非线性Kerr 效应的光纤分数阶域的传输新方法，可以实现自相位调制，交叉相位调制和色散的协同补偿，补偿的光纤色散段最长可以到１０个，单波长入纤功率到３dBm，４－１０个ＤＷＤＭ波长。课题探讨了全光的方式来实现线性和非线性的协同补偿的方法——全光预啁啾的方法来实现非线性抑制，只需要在发射端对输入的信号加上一定的相位畸变，可以提高系统误码率2个数量级，很适合绿色光通信技术。除了非线性薛定谔方程外，课题还研究了光纤中瑞利散射，受激布里渊散射等非线性效应对传输系统的影响，提出了一种基于耦合模的理论来精确计算后向功率，首次发现10km的光纤内瑞利散射功率始终随泵浦功率线性增长，对20km-40km光纤，高泵浦功率下瑞利散射功率趋向于饱和，是受激布里渊后向散射照成的。并提出了一种基于正交编码－相关接受的原理来抑制这种瑞利后向散射噪声的方法，实验验证可以提高功率代价4-10dB。课题提出了一种在电域上来协同补偿线性和非线性的方法——用于DP 16-QAM的自适应数字背投光传输算法，补偿能力可以提高可以1-3个数量级，动态范围可以提升4.6dB到6.3dB。通过研究了Ｍ－ＱＡＭ高阶调制光纤通信系统中线性损失的补偿方法，提出一种32QAM中相位盲估算新方法，可以把激光器的线宽的容忍性从目前的100kHz提高到1MHz。分别提出了基于FFT和改进DFT的频偏估算低复杂度算法，降低算法复杂度75%和95%。提出了一种基于多步插值的方法，在低信噪比下实现频偏。在光学器件方面研究时间透镜实现机制、方法和简单可行器件