高速相干光通信基础理论与关键技术研究

The high speed coherent optical communication technologies are gaining increasing concerns in recent years. However, the phase noise, polarization uncertainty and nonlinearity effects in the coherent optical communication system have become the limiting factor to further increase the system capacity. By focusing on three scientific problems which include how to suppress the nonlinear distortions, how to control the phase noise, and how to realize coherent optical sampling, these limiting factors will be comprehensive investigated in this project proposal. First, Intensive research work will be carried on the analysis of electrical field transmission law in large-dispersion-attenuation-nonlinearity-limited high speed coherent optical system. Second, the mechanism and compensation method of the linear and nonlinear noises in coherent optical sources and communication link will be explored. Third, the key technologies of low-noise optical amplification and performance monitoring in coherent optical system will be investigated. Afterward, the relationship between the novel encoding method and channel parameters will be discussed, and a novel high-efficient, low-complexity and low-delay channel encoding/decoding algorithm will be proposed and designed. Furthermore, a high speed coherent optical communication experimental platform will be built up to verify and test the relative network architecture, the key techniques and algorithms. The research results of this project will have great theoretical significance and practical values, and could be used for the next generation coherent optical communication system which has higher capacity.

高速相干光通信技术已成为当前国内外广泛关注和研究的焦点，但相干通信系统中各种相位噪声和偏振不确定性成为了限制系统传输容量进一步提升的主要因素。本项目围绕抑制非线性损伤、控制相干噪声和相干光采样三个关键科学问题，针对限制超高速长距离相干光通信系统性能提升的关键因素，重点探索在大色散、损耗与非线性受限条件下高速相干光通信系统中光信号的电场传输规律，研究相干通信系统中相干光源和通信链路各种线性与非线性损伤机理及其补偿机制，突破低噪声放大技术和基于相干光采样的光性能监测技术，在此基础上研究新型编码和编码级联组合对信道参数的依赖关系，提出效率高、复杂度低和时延小的超强纠错信道编解码方法，并搭建相干光通信系统实验平台，完成相关体系架构、关键技术和算法的实验验证和测试。项目研究成果可望用于更高传输速率的下一代相干光通信系统，具有重大的理论意义和应用价值。

基于数字信号处理的相干光通信是高速光通信发展和应用的主要趋势。本项目围绕非线性传输与放大机理、大容量调制、复用与编码以及相干光信号性能监测与损伤补偿这三个瓶颈问题开展理论与实验研究。1）在多维调制的相干光信号传输与放大的基础理论方面，本项目在国际上首次理论提出并实验证实了拉曼泵浦相对强度噪声导致的信号相对相位噪声和相对偏振噪声的概念及统计特性，提出了改进相位恢复算法；同时对GN（高斯噪声）模型的准确性进行了验证，证明了将GN模型和FWM噪声的预测结合起来，可以准确预计最佳波特率的区间。并进一步优化了基于分布式拉曼放大器的超长跨距相干光通信系统的设计方案。2）在大容量长距离灵活谱相干光传输的关键技术方面，提出并验证了一系列的高频谱效率自适应光传输技术，有效提升了系统的频谱效率；采用预编码技术，实现频率分集和自适应分块加载，达到更高的功率效率；在2微米新波段也通过预编码技术实现了高频谱效率调制方案，解决了带宽受限问题；针对容量受限难题，系统地研究了空分复用光纤通信系统关键技术及应用，开展了新型传输介质多芯光纤设计与制备，搭建了基于多芯光纤的大容量空分复用通信系统，同时还进行了多芯光纤功能器件及空分复用分布式光纤测量技术研究。3）在相干光通信信号的性能监测与损伤补偿方面，基于先进信号处理技术特别是分数阶傅里叶变换时频域信号处理以及深度学习神经网络等，创新构造人工信道训练序列，实现了非线性效应、OSNR、时间同步、频率偏移、以及色散等主要信道损伤的估计与补偿，并在此基础上独立自主开发出超宽带相干光采样示波器的原理样机，开展了工程应用等。本项目搭建并实现了大于30T容量和大于2000km光纤的相干光传输系统，完成了主要研究成果的验证、测试与示范工作。共发表高水平期刊论文95篇，会议论文31篇，申请发明专利28项其中授权20项，出版新型通信光纤方面论著（章节）一部，培养博士生19名，硕士生41名。研究成果获得2018年度中国电子学会科技进步一等奖。