【摘要】：近年來,隨著互聯(lián)網(wǎng),高清電視,大數(shù)據(jù)和云計算等新興帶寬消耗型業(yè)務(wù)的快速發(fā)展,所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流量每年以指數(shù)級快速增長,并且可預見的未來這種增長趨勢將繼續(xù)持續(xù)。為了滿足日益增長的容量需求,過去四十年種單根光纖的傳輸容量以每四年增長十倍的速度增長,然而在下一個十年內(nèi)商用光纖通信系統(tǒng)的通信容量即將到達非線性香農(nóng)極限。為了應對即將到來的容量危機,需要開發(fā)光波的空間維度來實現(xiàn)通信容量的可持續(xù)增長。另一方面,隨著光纖通信系統(tǒng)繼續(xù)向更高速率、更大容量演進,所采用的波特率將會越來越大,調(diào)制格式將會越來越復雜,復用信道將會越來越多。如果通信網(wǎng)絡(luò)信息交換節(jié)點繼續(xù)采用傳統(tǒng)的光-電-光技術(shù),未來勢必會成為光纖通信系統(tǒng)的瓶頸。因此,以基于空分復用(SDM:space-division multiplexing)的先進光傳輸和基于全光信號處理先進光處理技術(shù)為代表的先進光通信具有巨大的應用潛力和研究價值。高級調(diào)制格式、相干探測和DSP技術(shù)是現(xiàn)代光通信主要采用的實現(xiàn)方案。通過將DSP與先進光通信有機融合,可以用來解決一些光通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵問題。本文通過利用DSP技術(shù)以及現(xiàn)有通信光電子器件,從基于SDM的先進光傳輸和基于全光信號處理兩個方面開展了一系列理論和實驗研究,具體內(nèi)容如下:(1)理論和實驗研究了兩個軌道角動量(OAM:orbital angular momentum)模式(OAM_(+1)和OAM_(-1))在長距離少模光纖(FMF:few-mode fiber)中的傳輸特性。為了研究模群內(nèi)部差分模式時延(DMD:differential modal delay)和模式串擾對長距離光纖鏈路傳輸性能的影響,實驗比較了不同波特率(1-Gbaud,2-Gbaud,5-Gbaud和10-Gbaud)下的OAM模式傳輸?shù)男阅�。評估了基于低密度奇偶校驗碼(LDPC:low-density parity-check code)的單路OAM模式在50 km FMF中傳輸?shù)南到y(tǒng)誤碼率(BER:bit error rate)性能,對于1-Gbud,2-Gbaud和5-Gbaud的正交相移鍵控(QPSK:quadrature phase shift keying)信號,其編碼增益分別大于4 dB,8 dB和14 dB。LDPC編碼的引入可以減輕模群內(nèi)部DMD和模式串擾對OAM模式在長距離光纖鏈路傳輸性能的影響。為了驗證和比較DMD在長距離光纖傳輸中的影響,還進行了OAM模式在10 km FMF的傳輸作為對比實驗。從理論仿真和實驗結(jié)果中可以得出模群內(nèi)部的模式時延和模式串擾是限制長距離OAM光纖傳輸主要因素的結(jié)論。此外我們還進行了基于LDPC的1-Gbaud QPSK信號在50 km FMF中的復用通信實驗。(2)實驗研究了多輸入多輸出數(shù)字信號處理算法(MIMO-DSP:multiple-input multiple-output digital signal processing)在SDM系統(tǒng)中的應用:(1)研究了自由空間OAM小數(shù)階模式復用通信,通過結(jié)合MIMO均衡算法與LDPC編碼技術(shù),實驗實現(xiàn)了10-Gbaud的QPSK/16-QAM信號下四種小數(shù)階間隔下(0.6,0.4,0.2和0.1)的2個OAM模式的復用通信。實驗結(jié)果表明隨著小數(shù)間隔越小時,小數(shù)階OAM模式串擾隨之增加。MIMO均衡算法和LDPC碼引入可以增加系統(tǒng)的可靠性,使BER曲線可以達到7%前向糾錯編碼(FEC:forward error correction)判決門限以下,并成功實現(xiàn)最小小數(shù)間隔為0.1的密集模式復用通信。(2)設(shè)計并實驗研究了一種具有更低計算復雜度的基于傳統(tǒng)多模光纖的OAM模式復用通信方案。從理論仿真和實驗結(jié)果中可以得出傳統(tǒng)多模光纖模群內(nèi)部模式有效折射率差較小,但模群之間具有大有效折射率差的特性,因此可以用部分MIMO-DSP(2?2或4?4 MIMO-DSP)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的完整MIMO-DSP(6?6 MIMO-DSP)來對模群內(nèi)部的串擾進行均衡。實驗實現(xiàn)了基于2?2和4?4 MIMO-DSP的6個OAM模式在8.8 km OM4多模光纖(MMF:multi-mode fiber)中的復用傳輸,每個模式攜帶10-Gbaud QPSK信號,總傳輸容量為120Gbit/s。此外還進行了無MIMO-DSP的OAM模群間的無干擾復用傳輸,其中兩個OAM模式分別來自不同模群。這些實驗結(jié)果展示了基于傳統(tǒng)多模光纖的OAM模式復用傳輸?shù)目尚行浴?3)實驗研究了數(shù)字信號處理技術(shù)在光通信中的其他相關(guān)應用。(1)提出了新型模分復用和時分復用無源光網(wǎng)絡(luò)(MDM-TDM-PON:mode-division multiplexing time-division multiplexing passive optical network)系統(tǒng),并于1.1 km FMF上進行上行和下行鏈路的復用通信,其中2.5-Gbaud的四級脈沖幅度調(diào)制(PAM-4:4-level pulse amplitude modulation)信號作為下行信號,2-Gbaud的開關(guān)鍵控(OOK:on-off keying)信號作為上行信號。下行鏈路和上行鏈路在BER為2e-3的增強FEC(EFEC:enhanced FEC)門限下的OSNR代價分別小于2 dB和3 dB。實驗結(jié)果表明將光纖中的OAM復用通信與其他復用技術(shù)例如TDM與PON系統(tǒng)的結(jié)合可以提高PON系統(tǒng)容量,從而支持更多終端用戶。(2)設(shè)計并實現(xiàn)了一種可以根據(jù)接收到的信息自適應調(diào)節(jié)的基于OAM模式的水-空-水的信息傳輸系統(tǒng)。為了解決水位的變化會導致的跨空水界面光通信中光束發(fā)生偏移從而造成光信號接收對準問題,實驗中使用了一種可以根據(jù)接收到的OAM光束的強度分布自適應反饋的反射裝置來實現(xiàn)光束的重新對準。為了驗證跨空水界面的數(shù)據(jù)信息傳輸性能,傳輸了離散多音調(diào)制信號(DMT:discrete multi-tone modulation),其系統(tǒng)容量為1.08 Gbit/s,并比較不同水面相對高度(25 mm/-10 mm)下無反饋裝置與有反饋裝置下的系統(tǒng)BER性能曲線,水面相對高度為25 mm和-10mm下帶有反饋裝置的系統(tǒng)相比無反饋裝置的系統(tǒng)相比在7%FEC門限下的功率代價分別改善了2.5 dB和1 dB。實驗結(jié)果顯示了所設(shè)計的反饋裝置的有效性。(3)實驗實現(xiàn)了基于硅基波導的非簡并四波混頻效應(ND-FWM:non-degenerate four-wave mixing)的兩輸入八進制光計算(A+B,A-B,B-A,-A,-B,2A和2B),信號調(diào)制格式為8PSK,實驗測量了兩輸入八進制光計算的符號序列,星座圖和BER性能。
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN929.1;TN911.7
【圖文】：

共享單車，可穿戴智能設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)社交，視頻直播，虛擬現(xiàn)實和自動駕駛等。然而，這類新興帶寬消耗型業(yè)務(wù)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流量每年以指數(shù)級快速增長，并驅(qū)動光纖通信網(wǎng)絡(luò)容量不斷增長。如圖1-1所示，根據(jù)思科公司對2016年到2021年全球互聯(lián)網(wǎng)流量的預測，復合年流量增長率（CAGR：compoundannualgrowthrate）達24%，2021年全球互聯(lián)網(wǎng)流量將到達3.3澤字節(jié)（ZB：zettabyte，1 ZB等于1021字節(jié)），相比2016年總流量增長接近3倍，而相比2005年增長接近127倍[1]。在大容量需求的推動以及我國政府提出的建設(shè)網(wǎng)絡(luò)強國、寬帶中國、提速降費大背景下，我國三大運營商加快了通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)與升級

目前已大規(guī)模部署商用單通道100Gbit/s相干光傳輸系統(tǒng)使用偏振復用正交相移鍵控（PDM-QPSK：polarization division multiplexingquadrature phase shift keying）。圖1-2展示了近年來光通信頂級會議上報道的大容量，高頻譜效率的光通信系統(tǒng)。圖1-2 近年來光通信頂級會議上報道的大容量、高頻譜效率的光通信系統(tǒng)結(jié)果從圖1-2中展示的大容量，高頻譜效率的光通信系統(tǒng)結(jié)果中可以看出，調(diào)制格式從起初的QPSK開始向更高階調(diào)制如64-QAM演進，更先進更復雜的調(diào)制格式如正交頻分復用（OFDM：OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）和奈奎斯特（Nyquist）信號與偏振復用（PDM：polarization-divisionmultiplexing）和WDM的結(jié)合而組成的高速光通信系統(tǒng)正成為近年來的研究熱點，頻譜效率不斷提升，且單波長光傳輸網(wǎng)的傳輸容量正從100 Gbit/s向400 Gbit/s甚至1 Tbit/s演進。因此，未來持續(xù)提升通信系統(tǒng)容量

云計算，人工智能等新興業(yè)務(wù)的迅速崛起，帶來海量的數(shù)和處理。為了滿足日益增長的容量需求，現(xiàn)有光通信網(wǎng)絡(luò)容量持續(xù)通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展離不開兩大關(guān)鍵技術(shù)的支撐：高速光傳輸技術(shù)和全為了實現(xiàn)高速光傳輸系統(tǒng)的可持續(xù)擴容，基于光波幅度、相位、頻間維度的復用技術(shù)已被充分利用[34-40]，光波目前唯一未被充分開發(fā)的就只剩下光波的橫向空間分布，即空間維度資源近年來備受研究光網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)信息交換節(jié)點為信息處理以及計算機的運算性能提為了改善傳統(tǒng)光-電-光（O-E-O）信息交換方式帶來的處理速度，設(shè)等瓶頸問題，全光信號處理技術(shù)開始成為高速大容量光通信系統(tǒng)的于空分復用的先進光傳輸系統(tǒng)和基于全光信號處理先進光處理系光通信的研究內(nèi)容。于空分復用的先進光傳輸系統(tǒng)

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