基于非线性数字信号处理的直调直检光纤通信系统研究

According to the prediction from Cisco，the growth of Internet traffic in the short reach network will be more than double of that in the backbone network. The Internet traffic in this kind of network will occupy more than 66% of the total traffic. The growth mainly comes from the interconnections among the host computers, data centers and access networks in the same city. As the channel capacity of the backbone and access networks continues to increase, the bottleneck of future networks has been shifted to the short reach network. Therefore, it is necessary to upgrade the channel capacity of the short reach network. Although there are some researches on the increasing of the data rate in the short reach network, the studies focused on the practical implementation have not been considered..This project applies the combination of direct modulation direct detection and digital signal processing for pulse amplitude modulation format to achieve low-cost 100-Gb/s short-reach transmission system. The system considers both the low-cost feature of direct modulation direct detection structure and high performance of digital signal processing techniques with linear and nonlinear impairments compensation. The target of studying this project is to obtain several innovative and practical research achievements. It would be helpful to promote the research on the high-speed optical fiber communication and industrial upgrading in our country.

根据美国思科公司的预测，到2019年，中短距离网络的流量增长将达到骨干网的2倍以上，其总流量占比将达到66%以上。其流量的增长主要来源于同一城市内不同地点的主机，数据中心以及接入网等的互连。因此，随着骨干网网络容量的升级，未来的网络容量瓶颈已经转移到了中短距离网络。针对中短距离网络容量的升级迫在眉睫。尽管目前国内外对提升中短距离网络的传输速率都开展了一定的研究，但是都没有对方案的实时化和实用性进行研究。.本项目通过“针对脉冲幅度调制的直调直检和数字信号处理技术相结合”的方案来实现低成本实时化的100Gb/s的传输。方案拟基于直调直检系统的传输结构，并在接收端对信道的线性和非线性损伤进行系统性的研究和恢复。该方案结合了直调直检低成本和数字信号处理算法高性能的特点。开展此项课题的研究工作，对我国高速大容量光网络的研究和产业升级起一定的推动作用。

目前的城域网传输速率为10-40Gb/s，传输距离在80公里以内，其光纤色散带来的影响主要通过光纤色散模块来进行补偿。为了提高传输速率和传输距离，最直接想到的办法就是采用相干接收技术，将骨干网的传输技术直接移植到城域网中。在骨干网传输中，由于相干接收技术的使用，光纤链路中的损耗比如色散，偏振膜色散，偏振旋转等问题都可以通过数字信号处理的方式进行补偿。因此，高阶调制格式和偏振复用技术被广泛采用，从而实现高速率长距离（大于1000公里）传输。但是该方法需要复杂的数字信号处理算法，这极大的增加了系统的成本。贝尔实验室提出在发射端采用强度调制的方式，接收端采用相干接收的方式，这样在数字信号处理过程中省去了频偏估计和相位噪声估计的步骤。但是接收端相干接收机和激光器的成本代价依然是城域网无法承受的。因此，采用直调直检的方法是一个有效的实现低成本城域网的方案。同时，采用该方案对当前城域网系统结构的改动很小，成本代价低。..本项目的基本原理是通过将脉冲幅度调制的直调直检光纤通信系统和数字信号处理技术相结合的方案，实现100Gb/s直调直检PAM传输100公里以上的实时化系统验证。拟在研究直调直检PAM信号的信道模型的基础上，探索可以实时化的数字信号处理方法。主要研究内容包括：（1）建立完善的直调直检PAM信号的传输模型；（2）针对传输模型设计出有效的数字信号处理算法对信号进行恢复；（3）针对传输系统进行实时化平台的验证。..目前本项目已按照任务书要求深入研究了直调信号产生、啁啾管理、非线性补偿算法等技术，并构建了100Gb/s实时化光传输系统验证平台，完成了理论验证工作。本项目100G直调直检标准单模光纤光传输系统实验，经第三方测试机构测试，系统总容量100Gb/s，在普通光纤传输距离100km。与此同时，完成了100Gb/s的光模块制作，这些关键技术的研究及系统的实现，促进了关键技术在项目承担单位的成果转化，推动了核心器件的实用化进程。