超大容量光纤传输实验与OFDM关键技术研究

发布时间：2017-09-20 10:32

  本文关键词：超大容量光纤传输实验与OFDM关键技术研究

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【摘要】：过去近四十年光纤骨干网传输容量增长为每十年超过1000倍,即便如此仍不能满足互联网和宽带无线移动通信爆炸式增长的需求。为了攻克上一代光纤通信中谱效率低、非线性和色散严重等科学问题,本文提出在超大容量光传输系统中采用正交频分复用(OFDM)作为基本创新手段。OFDM技术是把高速串行数据流转换成若干正交的低速数据流,由于其频谱利用率高、抗光纤色散好、抗干扰能力强、计算复杂度低等优点,已作为国际上超大容量光纤通信的热点技术。 针对以上科学问题,本文开展了系统深入的理论与实验研究,探索了100-Gb/s超低成本的直接检测方案、1-Tb/s超10,000km标准单模光纤(SSMF)传输相干系统实验、硅基光波导作为波长转换器的超大容量调制格式实验、强度导频补偿CO-OFDM系统发射端IQ不平衡和激光器相位噪声实验、偏振不敏感型、消除泵浦相位噪声的相位锁定双泵浦超大容量波长转换实验、超大容量光纤传输调制后信号边模抑制实验以及C+L波段超大容量相干光传输实验等。主要创新点如下： (1)针对当前国际上100G相干系统用于城域网中成本过高,以及接收端一个40GHz电器件带宽难以接收100-Gb/s光信号的热点问题,本文提出100-Gb/s单PD(光电检测二极管)接收载波共享且保护间隔共享的直接检测光OFDM (DDO-OFDM)传输系统方案,通过实验解决了100G非相干系统中40GHz电带宽PD同时接收100-Gb/s光信号的难题,实验结果表明SSMF传输距离达到880km, PD数从当前商用相干系统的8个减少到1个,ADC(模数转换器)个数从4减小到1。 (2)针对Ker}线性效应制约超长距离光纤传输,以及当前国际前沿实验SSMF最高水平为1.15-Tb/s传输10,000km(2011年,美国NEC实验室)的现状,本文提出一种特色奇偶校验码(LDPC)和离散傅里叶变换扩频(DFT-S)调制技术相结合的CO-OFDM方案。实验结果表明,该方案有效地降低了LDPC编码的1.031-Tb/sDFT-S OFDM8-PSK信号光纤传输中Kerr非线性效应的影响,SSMF传输距离从10,000km达到了12,160km,接收机灵敏度从20%FEC解码门限0.02提高到了0.07。 (3)当前国际上硅光器件因低功耗低成本、高非线性效应和易于集成等特点成为热点方向,针对其中超大容量光纤传输谱效率难以进一步提升,以及当前国际前沿利用硅基光波导作为波长转换器实验最高水平为16-QAM(2014年Optics Express发表,加拿大麦吉尔大学)的现状,本文结合硅基波长转换实验中需解决的高阶调制问题(如128-QAM),提出了一种利用硅基光波导的OFDM128-QAM波长转换方法,实验在国际上实现了从单载波16-QAM调制向具有低OSNR代价的OFDM128-QAM高阶调制格式的突破。 (4)针对国际上超大容量CO-OFDM系统中普遍存在的IQ不平衡(IQ imbalance)问题,本文提出频域二阶矩估计(F-SOME)算法,巧妙地利用强度导频方法同时补偿发射端IQ不平衡和激光器相位噪声,解决了CO-OFDM4-QAM实验系统中发射端IQ不平衡问题。本文17-Gb/s DSB OFDM4-QAM实验结果表明,基于F-SOME的补偿算法可使接收机灵敏度提高1.2dB。 (5)针对波长转换中输入信号光和泵浦光FWM后相位噪声转移到转换信号中,严重影响转换信号性能的问题(尤其是在高阶调制的相干光通信中),本文在国际上提出一种偏振不敏感型、消除泵浦相位噪声的相位锁定双泵浦AOWC方案,实验解决了高阶调制偏振复用CO-OFDM系统中转换信号相位噪声剔除的问题,92.9-Gb/sPDM-OFDM32-QAM和557-Gb/s PDM-OFDM8-QAM两种实验结果表明,转换信号OSNR代价均小于1dB,557-Gb/s是目前国际上这一实验的最高速率。 (6)针对超大容量光纤传输系统发射端muli-band经OFDM调制后信号边模抑制比(SLSR)过低,导致符号间串扰(ISI)和载波间串扰(ICI)过大以及电信噪比(SNR)下降等问题,本文提出基于数字脉冲成型技术的偏置正交幅度调制OFDM (OFDM/OQAM)方法,从实验上基本解决了ISI和ICI过大的问题。实验结果表明,该方法所实现的OFDM/OQAM信号功率谱密度(PSD)从传统OFDM的15dB提升到35dB,而且在multi-band DDO-OFDM系统中SNR从17.37dB提高到18.56dB。 (7)网络干线传输容量是衡量一个国家网络承载能力的关键性指标。本人(排2,共7人)与课题组同事合作完成了C+L波段DFT-S PDM-OFDM128-QAM调制的100.3-Tb/s (375×267.27-Gb/s)信号80km SSMF超大容量传输系统实验,刷新了我国超大容量传输系统实验最高纪录,该成果入选由两院院士选出的2014年中国10大科技进展新闻(位列第八)。
【关键词】：超大容量光纤通信 正交频分复用 IQ不平衡 全光波长转换 载波共享保护间隔共享直接检测 相位锁定双泵浦 数字脉冲成型
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN929.53
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 1 绪论11-28
• 1.1 课题研究意义11-12
• 1.2 光纤通信技术的兴起12-14
• 1.3 100-Gb/s直接检测的研究背景及现状14-20
• 1.4 大容量高谱效率相干光通信的研究背景及现状20-22
• 1.5 AOWC的研究背景及现状22-26
• 1.6 论文的主要工作和结构安排26-28
• 2 超大容量光纤传输系统设计与关键技术研究28-53
• 2.1 引言28
• 2.2 发射端设计28-34
• 2.3 接收端设计34-39
• 2.4 光调制器在超大容量光纤传输系统中的应用研究39-52
• 2.5 本章小节及主要创新点52-53
• 3 基于OFDM的超大容量光纤传输系统若干关键问题研究53-86
• 3.1 引言53
• 3.2 OFDM技术的基本原理53-57
• 3.3 DDO和CO-OFDM的系统模型57-62
• 3.4 OFDM系统存在的问题及解决方法研究62-85
• 3.5 本章小节及主要创新点85-86
• 4 100-Gb/s DDO-OFDM光纤传输实验系统研究86-107
• 4.1 引言86
• 4.2 载波辅助DDO-OFDM原理86-89
• 4.3 载波独立保护间隔共享100-Gb/s DDO-OFDM实验研究89-94
• 4.4 载波共享保护间隔共享100-Gb/s DDO-OFDM实验研究94-101
• 4.5 改进型载波共享保护间隔共享100-Gb/s DDO-OFDM实验研究101-105
• 4.6 本章小节及主要创新点105-107
• 5 超大容量CO-OFDM光纤传输实验系统研究107-135
• 5.1 引言107
• 5.2 相干光通信若干技术原理分析107-109
• 5.3 基于传统OFDM大容量长距离光纤传输实验论证109-120
• 5.4 基于OFDM/OQAM大容量高谱效率光纤传输实验论证120-133
• 5.5 本章小节及主要创新点133-135
• 6 超大容量光网络中可变带宽AOWC技术研究135-156
• 6.1 引言135
• 6.2 基于OFDM调制的T比特级可重构光网络研究135-140
• 6.3 基于硅基光波导的高阶OFDM信号的AOWC研究140-145
• 6.4 偏振不敏感泵浦相位噪声消除的高阶PDM-OFDM信号AOWC实验研究145-154
• 6.5 本章小节及主要创新点154-156
• 7 总结与展望156-159
• 致谢159-161
• 参考文献161-181
• 附录1 攻读博士学位期间发表论文目录181-185
• 附录2 攻读博士学位期间参与项目185-187
• 附录3 论文中英文缩写简表187-189

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