本文關鍵詞：超大容量光纖傳輸實驗與OFDM關鍵技術研究

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【摘要】：過去近四十年光纖骨干網(wǎng)傳輸容量增長為每十年超過1000倍,即便如此仍不能滿足互聯(lián)網(wǎng)和寬帶無線移動通信爆炸式增長的需求。為了攻克上一代光纖通信中譜效率低、非線性和色散嚴重等科學問題,本文提出在超大容量光傳輸系統(tǒng)中采用正交頻分復用(OFDM)作為基本創(chuàng)新手段。OFDM技術是把高速串行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成若干正交的低速數(shù)據(jù)流,由于其頻譜利用率高、抗光纖色散好、抗干擾能力強、計算復雜度低等優(yōu)點,已作為國際上超大容量光纖通信的熱點技術。 針對以上科學問題,本文開展了系統(tǒng)深入的理論與實驗研究,探索了100-Gb/s超低成本的直接檢測方案、1-Tb/s超10,000km標準單模光纖(SSMF)傳輸相干系統(tǒng)實驗、硅基光波導作為波長轉(zhuǎn)換器的超大容量調(diào)制格式實驗、強度導頻補償CO-OFDM系統(tǒng)發(fā)射端IQ不平衡和激光器相位噪聲實驗、偏振不敏感型、消除泵浦相位噪聲的相位鎖定雙泵浦超大容量波長轉(zhuǎn)換實驗、超大容量光纖傳輸調(diào)制后信號邊模抑制實驗以及C+L波段超大容量相干光傳輸實驗等。主要創(chuàng)新點如下： (1)針對當前國際上100G相干系統(tǒng)用于城域網(wǎng)中成本過高,以及接收端一個40GHz電器件帶寬難以接收100-Gb/s光信號的熱點問題,本文提出100-Gb/s單PD(光電檢測二極管)接收載波共享且保護間隔共享的直接檢測光OFDM (DDO-OFDM)傳輸系統(tǒng)方案,通過實驗解決了100G非相干系統(tǒng)中40GHz電帶寬PD同時接收100-Gb/s光信號的難題,實驗結(jié)果表明SSMF傳輸距離達到880km, PD數(shù)從當前商用相干系統(tǒng)的8個減少到1個,ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)個數(shù)從4減小到1。 (2)針對Ker}線性效應制約超長距離光纖傳輸,以及當前國際前沿實驗SSMF最高水平為1.15-Tb/s傳輸10,000km(2011年,美國NEC實驗室)的現(xiàn)狀,本文提出一種特色奇偶校驗碼(LDPC)和離散傅里葉變換擴頻(DFT-S)調(diào)制技術相結(jié)合的CO-OFDM方案。實驗結(jié)果表明,該方案有效地降低了LDPC編碼的1.031-Tb/sDFT-S OFDM8-PSK信號光纖傳輸中Kerr非線性效應的影響,SSMF傳輸距離從10,000km達到了12,160km,接收機靈敏度從20%FEC解碼門限0.02提高到了0.07。 (3)當前國際上硅光器件因低功耗低成本、高非線性效應和易于集成等特點成為熱點方向,針對其中超大容量光纖傳輸譜效率難以進一步提升,以及當前國際前沿利用硅基光波導作為波長轉(zhuǎn)換器實驗最高水平為16-QAM(2014年Optics Express發(fā)表,加拿大麥吉爾大學)的現(xiàn)狀,本文結(jié)合硅基波長轉(zhuǎn)換實驗中需解決的高階調(diào)制問題(如128-QAM),提出了一種利用硅基光波導的OFDM128-QAM波長轉(zhuǎn)換方法,實驗在國際上實現(xiàn)了從單載波16-QAM調(diào)制向具有低OSNR代價的OFDM128-QAM高階調(diào)制格式的突破。 (4)針對國際上超大容量CO-OFDM系統(tǒng)中普遍存在的IQ不平衡(IQ imbalance)問題,本文提出頻域二階矩估計(F-SOME)算法,巧妙地利用強度導頻方法同時補償發(fā)射端IQ不平衡和激光器相位噪聲,解決了CO-OFDM4-QAM實驗系統(tǒng)中發(fā)射端IQ不平衡問題。本文17-Gb/s DSB OFDM4-QAM實驗結(jié)果表明,基于F-SOME的補償算法可使接收機靈敏度提高1.2dB。 (5)針對波長轉(zhuǎn)換中輸入信號光和泵浦光FWM后相位噪聲轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)換信號中,嚴重影響轉(zhuǎn)換信號性能的問題(尤其是在高階調(diào)制的相干光通信中),本文在國際上提出一種偏振不敏感型、消除泵浦相位噪聲的相位鎖定雙泵浦AOWC方案,實驗解決了高階調(diào)制偏振復用CO-OFDM系統(tǒng)中轉(zhuǎn)換信號相位噪聲剔除的問題,92.9-Gb/sPDM-OFDM32-QAM和557-Gb/s PDM-OFDM8-QAM兩種實驗結(jié)果表明,轉(zhuǎn)換信號OSNR代價均小于1dB,557-Gb/s是目前國際上這一實驗的最高速率。 (6)針對超大容量光纖傳輸系統(tǒng)發(fā)射端muli-band經(jīng)OFDM調(diào)制后信號邊模抑制比(SLSR)過低,導致符號間串擾(ISI)和載波間串擾(ICI)過大以及電信噪比(SNR)下降等問題,本文提出基于數(shù)字脈沖成型技術的偏置正交幅度調(diào)制OFDM (OFDM/OQAM)方法,從實驗上基本解決了ISI和ICI過大的問題。實驗結(jié)果表明,該方法所實現(xiàn)的OFDM/OQAM信號功率譜密度(PSD)從傳統(tǒng)OFDM的15dB提升到35dB,而且在multi-band DDO-OFDM系統(tǒng)中SNR從17.37dB提高到18.56dB。 (7)網(wǎng)絡干線傳輸容量是衡量一個國家網(wǎng)絡承載能力的關鍵性指標。本人(排2,共7人)與課題組同事合作完成了C+L波段DFT-S PDM-OFDM128-QAM調(diào)制的100.3-Tb/s (375×267.27-Gb/s)信號80km SSMF超大容量傳輸系統(tǒng)實驗,刷新了我國超大容量傳輸系統(tǒng)實驗最高紀錄,該成果入選由兩院院士選出的2014年中國10大科技進展新聞(位列第八)。
【關鍵詞】：超大容量光纖通信 正交頻分復用 IQ不平衡 全光波長轉(zhuǎn)換 載波共享保護間隔共享直接檢測 相位鎖定雙泵浦 數(shù)字脈沖成型
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN929.53
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 1 緒論11-28
• 1.1 課題研究意義11-12
• 1.2 光纖通信技術的興起12-14
• 1.3 100-Gb/s直接檢測的研究背景及現(xiàn)狀14-20
• 1.4 大容量高譜效率相干光通信的研究背景及現(xiàn)狀20-22
• 1.5 AOWC的研究背景及現(xiàn)狀22-26
• 1.6 論文的主要工作和結(jié)構安排26-28
• 2 超大容量光纖傳輸系統(tǒng)設計與關鍵技術研究28-53
• 2.1 引言28
• 2.2 發(fā)射端設計28-34
• 2.3 接收端設計34-39
• 2.4 光調(diào)制器在超大容量光纖傳輸系統(tǒng)中的應用研究39-52
• 2.5 本章小節(jié)及主要創(chuàng)新點52-53
• 3 基于OFDM的超大容量光纖傳輸系統(tǒng)若干關鍵問題研究53-86
• 3.1 引言53
• 3.2 OFDM技術的基本原理53-57
• 3.3 DDO和CO-OFDM的系統(tǒng)模型57-62
• 3.4 OFDM系統(tǒng)存在的問題及解決方法研究62-85
• 3.5 本章小節(jié)及主要創(chuàng)新點85-86
• 4 100-Gb/s DDO-OFDM光纖傳輸實驗系統(tǒng)研究86-107
• 4.1 引言86
• 4.2 載波輔助DDO-OFDM原理86-89
• 4.3 載波獨立保護間隔共享100-Gb/s DDO-OFDM實驗研究89-94
• 4.4 載波共享保護間隔共享100-Gb/s DDO-OFDM實驗研究94-101
• 4.5 改進型載波共享保護間隔共享100-Gb/s DDO-OFDM實驗研究101-105
• 4.6 本章小節(jié)及主要創(chuàng)新點105-107
• 5 超大容量CO-OFDM光纖傳輸實驗系統(tǒng)研究107-135
• 5.1 引言107
• 5.2 相干光通信若干技術原理分析107-109
• 5.3 基于傳統(tǒng)OFDM大容量長距離光纖傳輸實驗論證109-120
• 5.4 基于OFDM/OQAM大容量高譜效率光纖傳輸實驗論證120-133
• 5.5 本章小節(jié)及主要創(chuàng)新點133-135
• 6 超大容量光網(wǎng)絡中可變帶寬AOWC技術研究135-156
• 6.1 引言135
• 6.2 基于OFDM調(diào)制的T比特級可重構光網(wǎng)絡研究135-140
• 6.3 基于硅基光波導的高階OFDM信號的AOWC研究140-145
• 6.4 偏振不敏感泵浦相位噪聲消除的高階PDM-OFDM信號AOWC實驗研究145-154
• 6.5 本章小節(jié)及主要創(chuàng)新點154-156
• 7 總結(jié)與展望156-159
• 致謝159-161
• 參考文獻161-181
• 附錄1 攻讀博士學位期間發(fā)表論文目錄181-185
• 附錄2 攻讀博士學位期間參與項目185-187
• 附錄3 論文中英文縮寫簡表187-189

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