超高速超大容量超長距離光傳輸基礎理論與關鍵技術研究*

余少華，楊 奇，薛道均，賀志學，黎 偲

（1.武漢郵電科學研究院 武漢430074；2.光纖通信技術和網(wǎng)絡國家重點實驗室 武漢430074）

1 引言

自1960年第一臺紅寶石激光器問世后，人們便與光通信結下了不解之緣。1966年，英籍華人高錕博士提出利用光纖實現(xiàn)長距離傳輸光波的設想，在世界各國掀起了一個研究光纖通信的熱潮。1976年，美國在亞特蘭大進行了世界上第一個實用光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗，系統(tǒng)采用GaAlAs激光器作光源，多模光纖作傳輸介質，速率為44.7 Mbit/s，傳輸距離為10 km。此后，光纖通信系統(tǒng)開始飛速發(fā)展：1980年，美國標準化FT-3光纖通信系統(tǒng)投入商用；1988年，由美、日、英、法發(fā)起的第一條橫跨大西洋TAT-8海底光纜通信系統(tǒng)建成，海底通信系統(tǒng)得到全面展開；1989年，摻鉺光纖放大器（EDFA）的問世，為光纖通信系統(tǒng)打開了新的局面，光波分復用（WDM）得到了廣泛的應用。

人類對信息需求的急劇增加，促進了信息科學的不斷進步。光通信傳輸作為信息時代的基礎傳輸建設，正不斷地向前發(fā)展。光波具有極高的頻率（大約3億兆赫茲），也就是說具有極高的帶寬來容納巨大的通信信息，所以用光波作為載體進行高速光纖通信一直是信息科學所追求的目標。光纖通信的速率不斷增加、容量不斷擴大、距離不斷加長。從美國貝爾實驗室在亞特蘭大到華盛頓之間建立世界第一條實用化的45 Mbit/s光纖通信線路開始，光纖通信系統(tǒng)的速率不斷提高，20世紀末到21世紀初，光纖傳輸從單波長的2.5 Gbit/s和10 Gbit/s爆炸性地發(fā)展到多波長的Tbit/s級傳輸，極大地促進了信息科學的進步和信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

當前，光通信網(wǎng)絡正朝著規(guī)模不斷擴展、容量快速增長、業(yè)務日益豐富、應用愈加靈活、需求日趨多樣的方向快速發(fā)展，尋求新型的超高速、超大容量、超長距離（ultrahigh-speed,ultra-large-capacity,ultra-long-haul,3U）光傳輸機理與模式已成為未來光通信技術領域面臨的重大挑戰(zhàn)。3U光傳輸作為一種新型光通信模式推動下一代互聯(lián)網(wǎng)和寬帶移動通信網(wǎng)的發(fā)展和技術進步，已成為國際高科技知識產(chǎn)權競爭的焦點和制高點。我國光通信制造能力與光網(wǎng)絡應用規(guī)模在國際上已處于前列，但在原創(chuàng)性核心技術及知識產(chǎn)權方面明顯落后于發(fā)達國家，極大地制約了我國在21世紀信息產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。發(fā)展新型的3U光傳輸，對推動信息產(chǎn)業(yè)服務于國民經(jīng)濟，促進我國步入信息化先進國家和確立國際戰(zhàn)略優(yōu)勢地位具有重大意義。

3 U光傳輸?shù)难芯繃@如下3個重大的科學問題展開。

·高譜效率的途徑、機理與容量限問題。在香農(nóng)理論的基礎上建立適應光纖傳輸信道和發(fā)射接收系統(tǒng)的準線性近似、非線性預補償和相干接收的完整模型，拓展香農(nóng)理論在光信息領域的應用，解決高速光通信系統(tǒng)與香農(nóng)定理的偏離問題，為未來光通信系統(tǒng)容量確立新的規(guī)則，具有重大的理論和實用意義。并且在該模型的基礎上，探討提高3U頻譜效率的途徑及其機制，以期較大程度地提高現(xiàn)有通信系統(tǒng)的頻譜利用率，使之接近香農(nóng)極限，最大限度地提升3U系統(tǒng)容量服務。

·復雜光纖色散與多階均衡問題。利用復雜色散模型和信息處理算法實現(xiàn)對色散的檢測。高精度色散管理分為靜態(tài)可調和動態(tài)可調兩部分，分別應用于光纖傳輸線路和接收端，具有不同的色散要求。獨立的色散及色散斜率調整能夠對所有光通道進行多階精確色散控制和均衡。構成了光纖色散的基礎理論框架，解決了高階色散補償問題，實現(xiàn)由一階色散補償向多階色散均衡的飛躍。

·光纖非線性動態(tài)協(xié)同適變性問題。重點研究和揭示多種非線性效應相互作用的機理及規(guī)律；結合全光通道統(tǒng)一歸零碼光源的特性，消除了非線性的統(tǒng)計變化，利用精確的數(shù)據(jù)比特光程差控制，提出了一個全新的非線性抑制和管理的機理和方法；研究3U系統(tǒng)下的色散和非線性動態(tài)協(xié)同的適變性；實現(xiàn)3U全波段光纖通道準線性傳輸模型的建立和其理論的突破。

在不斷飛速發(fā)展的信息科學領域，研究3U光傳輸，總體上將實現(xiàn)3U光傳輸理論的突破與創(chuàng)新，使我國在相關領域的研究成果和技術創(chuàng)新進入國際領先行列，為促進我國信息產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學理論和核心技術支持。實現(xiàn)基礎理論上有突破，關鍵技術上有創(chuàng)新，重大應用上有貢獻，為我國信息科學的不斷發(fā)展建立長遠的戰(zhàn)略優(yōu)勢。

2 科學問題

3 U光傳輸?shù)睦碚撗芯烤劢褂诠饫w通信領域的3個科學問題：高譜效率的途徑、機理與容量限問題；復雜光纖色散與多階均衡問題；光纖非線性動態(tài)協(xié)同適變性問題。這3個科學問題一直是制約光纖通信發(fā)展的核心問題。

2.1 高譜效率的途徑、機理與容量限問題

信息論及數(shù)字通信時代的奠基人克勞德·香農(nóng)在1948年率先提出了通信信道能夠傳輸?shù)男畔⑷萘繂栴}。一般用香農(nóng)理論來分析光纖信道都做了很大近似，需要假設信道具有較弱的非線性效應、低色散和傳輸速率限制。由于這些研究中沒有考慮調制方式、象限陣階數(shù)和非線性補償問題，使得該理論模型具有較大缺陷。因此如何基于香農(nóng)理論建立先進光通信系統(tǒng)的完整模型（用于研究高頻譜利用率、多極性振幅和相位調制、高速準線性傳輸、發(fā)射機預失真反向補償非線性效應和相干接收等前沿技術），是亟需解決的關鍵科學理論問題之一。

此外，要達到接近香農(nóng)極限的信號傳輸效率，需要超強的編碼。奈奎斯特（Nyquist）定理描述了信號數(shù)據(jù)率與帶寬之間的關系，當數(shù)據(jù)信號為二進制時，每赫茲帶寬的理想低通信道的最高碼元傳輸速率是每秒2個碼元；當數(shù)據(jù)信號為M進制時，奈奎斯特定理決定的信道容量為C=2BlgM，因此提高數(shù)據(jù)進制可以提高系統(tǒng)的容量。復雜的線路編碼既可以增加信道容量，也可以用于信道糾錯，但是線路編碼也增加了接收機判決的復雜度。因此如何在多電平編碼情況下實現(xiàn)接收機多電平軟判決也是本問題需要研究的重要內容。

在香農(nóng)理論的基礎上建立適應光纖傳輸信道和發(fā)射接收系統(tǒng)的準線性近似、非線性預補償和相干接收的完整模型。該理論模型的建立，將拓展香農(nóng)理論在光信息領域的應用，解決高速光通信系統(tǒng)與香農(nóng)定理的偏離問題，為未來光通信系統(tǒng)容量確立新的規(guī)則，具有重大的理論和實用意義。并且在該模型的基礎上，探討提高3U頻譜效率的途徑及其機制，以期較大程度地提高現(xiàn)有通信系統(tǒng)的頻譜利用率，使之接近香農(nóng)極限，最大限度地提升3U系統(tǒng)容量服務。

2.2 復雜光纖色散與多階均衡問題

研究復雜的光纖色散機理及多階色散均衡問題對超高速光通信傳輸系統(tǒng)具有十分重大的意義，它能夠優(yōu)化先進調制格式，降低對超高速DSP的要求，簡化超高速光信號的接收和處理,全面控制或消除光纖系統(tǒng)的色散影響，使光接收機能夠直接在低速光電通道接收處理信號，充分利用現(xiàn)有成熟技術實現(xiàn)高頻譜效率。超高速光傳輸系統(tǒng)的色散管理具有其獨特的要求，需要對光纖色散的復雜變化進行深入研究，對色散的多種變化建立模型，并能夠以此為基礎建立有效的超高精度全波段的多階補償機制。

本科學問題涵蓋超高精度色散管理的兩個核心部分。

·高精度色散在線精確測量：利用復雜色散模型和信息處理算法能夠實現(xiàn)對色散的檢測。

·色散及色散斜率獨立可調：高精度色散管理分為靜態(tài)可調和動態(tài)可調兩部分，分別應用于光纖傳輸線路和接收端，具有不同的色散要求。獨立的色散及色散斜率調整能夠對所有光通道進行多階精確色散控制和均衡。

這兩個核心內容結合在一起，構成了光纖色散的基礎理論框架，解決了高階色散補償問題，形成由一階色散補償向多階色散均衡的飛躍。

2.3 光纖非線性動態(tài)協(xié)同適變性問題

色散和非線性動態(tài)協(xié)同的適變性是3U光纖通信系統(tǒng)的核心問題之一。和單纖速率為10 Gbit/s和40 Gbit/s的傳統(tǒng)光通信系統(tǒng)相比，3U系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息帶寬較寬，非線性作用的影響性質不同，不同調制格式的頻譜也不同，使得光傳輸?shù)姆蔷€性影響是前者的數(shù)十倍。

對光傳輸有重要作用的非線性效應有：受激布里淵散射（SBS）、受激拉曼散射（SRS）、自相位調制（SPM）、交叉相位調制（XPM）、四波混頻（FWM）等。其中SPM、XPM、FWM源于同一個非線性機制（Kerr效應），具有響應帶寬遠大于DWDM系統(tǒng)所有波長總帶寬、能和光纖色散相互作用的復雜特性，成為影響光系統(tǒng)傳輸?shù)闹饕蔷€性來源。超高速光傳輸系統(tǒng)的非線性具有帶內、帶外多種非線性因素的復雜相互作用的特征。

在傳統(tǒng)光傳輸中，非線性效應是以統(tǒng)計形式表現(xiàn)出來的，光通道內部不同數(shù)據(jù)碼串有不同的非線性統(tǒng)計變化。源于通道之間相互作用的非線性呈現(xiàn)類白噪聲的統(tǒng)計特征，變化十分復雜，目前沒有很有效的抑制方法。

以高精度色散管理技術為基礎，重點研究和揭示多種非線性效應相互作用的機理及規(guī)律；結合全光通道統(tǒng)一歸零碼光源的特性，消除了非線性的統(tǒng)計變化，利用精確的數(shù)據(jù)比特光程差控制，提出了一個全新的非線性抑制和管理的機理和方法；研究3U系統(tǒng)下的色散和非線性動態(tài)協(xié)同的適變性；實現(xiàn)3U全波段光纖通道準線性傳輸。這種方法能夠對每個光比特信號的相對時間位置進行精確管理，還能充分利用全光信號處理技術對所有光通道信號波型進行再生處理，在消除非線性效應的同時，對其他傳輸信號失真（比如PMD）也進行了糾正補償。

3 研究內容

3 U光傳輸?shù)难芯糠譃橐韵?個方面。

3.1160×100 Gbit/s 2000 km的3U光傳輸基礎理論驗證系統(tǒng)

以實現(xiàn)160×100 Gbit/s 2000 km的3U光傳輸基礎理論驗證系統(tǒng)為目標，圍繞光傳輸?shù)幕A理論展開，研究超高速光傳輸系統(tǒng)所需的理論模型和方法，實現(xiàn)超高速光傳輸系統(tǒng)的高效化、長距化和動態(tài)化。研究內容如下。

（1）建立超高速光傳輸系統(tǒng)的理論模型，對3U系統(tǒng)信道容量限進行論證

研究光通信系統(tǒng)容量限理論，建立適合先進光通信系統(tǒng)各種復雜條件（強非線性效應、色散影響大且復雜、高速傳輸、適合多種調制格式及編碼方式、具有象限陣階數(shù)同時進行非線性補償）的香農(nóng)定理模型，推導出全新的適合3U系統(tǒng)的信道容量限，同時將理論在實驗系統(tǒng)中驗證并根據(jù)驗證結果進行補充、改良，以保證理論與實際系統(tǒng)的完美契合。

（2）完成超高速光傳輸?shù)捏w系結構設計

研究超高速光傳輸過程中非線性效應、色散、調制格式及編碼方式等復雜因素之間的相互作用及相互影響，綜合各個因素的不同機理建立完整的適合超高速光傳輸?shù)捏w系結構，確保系統(tǒng)性能得到最適當?shù)膬?yōu)化。

（3）構建160×100 Gbit/s 2000 km的3U光傳輸基礎理論驗證系統(tǒng)實驗平臺

研究全波長自相關光源,采用異地相關光源傳送模式，實現(xiàn)具有FEC的新型高速調制信號的超長距離傳輸，采用相位敏感型參量放大器與超高精度色散管理克服光纖中的色散、損耗、多種非線性效應等影響，在理論研究及局部驗證的基礎上，構建超高速、超大容量、超長距離光傳輸基礎理論驗證系統(tǒng)實驗平臺。

（4）設計并驗證系統(tǒng)方案，檢驗超高速光傳輸演示系統(tǒng)的性能

以之上所獲得的各項研究理論成果為指導，綜合考慮各關鍵環(huán)節(jié)的相互作用及相互影響作出合理且全面的調整，建立正確的實驗驗證系統(tǒng)方案，使得各環(huán)節(jié)有機結合在一起以同時達到最優(yōu)性能，進而檢驗超高速光傳輸演示系統(tǒng)的性能。系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

圖1 3U光傳輸系統(tǒng)框架

3.2 全光多波長自相關光源的產(chǎn)生及非本振相關接收

針對3U光傳輸系統(tǒng)中光源問題，圍繞其產(chǎn)生機理及實現(xiàn)方法、所產(chǎn)生相干信號在系統(tǒng)中傳輸及非本振相關接收等關鍵問題，具體研究多波長、自相關、相位噪聲超低的信號產(chǎn)生及精密合波理論和實現(xiàn)方法；研究多通道自相關雙波長傳輸過程中信號非線性損耗消除問題；研究相關接收過程中非本振相關的具體實現(xiàn)方法。

（1）全相干發(fā)射與接收

針對大容量信息傳輸系統(tǒng)的要求，在發(fā)送端利用超連續(xù)譜產(chǎn)生全通道自相關多波長光源。由于超連續(xù)譜產(chǎn)生的機理，該光源具有頻率、相位、時延和功率同時可控的優(yōu)點，且固有的相干性良好。因此可以通過梳狀濾波器將該光源輸出的多波長序列分為正交的兩路，其中一路波長用于承載信號，另一路波長用于遠端非本振相關接收，如圖2所示。這樣既可以通過所謂的非本振相關接收使整個系統(tǒng)具有相干光通信的超強能力，同時又不需要苛刻的本振相干接收光源。此外基于光載波同源自相關和各光通道全同步模型，提出的寬帶高相干性種子光源機制也將有利于非線性效應的抑制。

（2）發(fā)送端

圖2 全相干發(fā)送與接收工作原理

基于超連續(xù)譜的多波長光源具有以下優(yōu)點：可實現(xiàn)全波段、功率均衡的多波長輸出；良好的相干性；穩(wěn)定精確的輸出波長間隔（取決于抽運脈沖重復頻率）；穩(wěn)定精確的輸出脈沖重復頻率（等于抽運脈沖重復頻率）等。

當大功率的超短光脈沖在非線性光學介質中傳輸時，即可形成超連續(xù)譜。它是非線性光學介質中的SPM、XPM、FWM及SRS等非線性效應和群速度色散共同作用的結果。對于超連續(xù)譜而言，光譜的寬度和平坦度是衡量光譜質量的兩個重要因素。合適的抽運光源和非線性光學介質的選擇將有利于這兩個指標的優(yōu)化。

圖3 全相干發(fā)射端結構示意

如圖3所示為全相干發(fā)射端結構。同步時鐘由一個25 GHz的射頻信號源提供?？紤]到系統(tǒng)中單波長的工作速率為100 Gbit/s，因此抽運光源是一臺能實現(xiàn)飛秒量級超短脈沖輸出的鎖模激光器。鎖模激光器輸出的飛秒量級超短脈沖經(jīng)摻鉺光纖放大器助推放大后，以很高的功率進入高非線性光學介質（如色散平坦光纖、高非線性光纖以及光子晶體光纖）中形成超連續(xù)譜，得到一個頻率間隔為25 GHz的多波長序列。經(jīng)過梳狀濾波后分為頻率間隔為50 GHz正交的兩路多波長序列，其中一路波長用于承載信號，另一路波長用于遠端非本振相關接收。

使用具有小正常色散的光纖和選擇合適的抽運條件可以產(chǎn)生寬帶、平坦的超連續(xù)譜輸出。同時在輸出端加上非線性光學環(huán)境等可飽和吸收體能夠實現(xiàn)輸出單個縱模線寬的壓縮和信噪比的提高。

（3）接收端

圖4 全相干接收端結構示意

在傳統(tǒng)的相干光通信系統(tǒng)中，信號光到達光接收機端時，通過混頻器與光接收機端的本振光進行混頻，產(chǎn)生一個中頻信號（即信號光與本振光的差頻）。然后該中頻信號再經(jīng)過放大、濾波和解調后，還原為光發(fā)射機端的數(shù)字信號?？梢姽饨邮諜C端的本振光頻率穩(wěn)定性是相當重要的。針對3U光傳輸?shù)囊?，一方面非相干接收無法滿足，另一方面相干接收本振（LO）鎖相技術又過于復雜，難以實現(xiàn)（比如光載波頻率為百THz量級）。在此背景下，建立隨路雙波長傳輸、遠端非本振相關接收理論，其接收端結構如圖4所示。利用全同步超相干光源產(chǎn)生具有良好頻率、相位、時延可控性的若干自相關波長對（即信號光和遠端本振光），通過超窄帶梳狀濾波精密合波技術，可實現(xiàn)非本振相關接收。同時在光接收機端結合電域的數(shù)字信號處理，包括固定均衡、自適應均衡和失真補償?shù)龋苡行ПＷC相位的要求，確保相關接收的實現(xiàn)。此外，使用遠端本振使得遠端本振光與信號光經(jīng)歷同樣的時域和頻域噪聲，這樣在接收機端經(jīng)過相干接收就避免了時域和頻域抖動。這些技術都能有效克服本振接收時的相應缺點。

3.3 基于先進調制格式及編碼方式的全光、高譜效率的光發(fā)射/接收

針對3U光傳輸?shù)目茖W問題，研究100 Gbit/s速率前向糾錯編碼（FEC）理論，提出實用的碼字結構方案，結合多階調制、正交光調制和全光OFDM調制格式，實現(xiàn)具有上述功能的光發(fā)射和接收。

（1）基于香農(nóng)理論建立適應光纖傳輸信道和發(fā)射接收系統(tǒng)的準線性近似、非線性預補償和相干接收的復雜模型

信號在光纖中傳播時主要有3個效應同時起作用，即放大器自發(fā)輻射、材料色散和波導色散、實時的光纖Kerr非線性效應。當前用香農(nóng)理論來分析光纖信道都做了很大近似，需要假設信道具有較弱的非線性效應、低色散和傳輸速率限制。由于這些研究中沒有考慮調制方式、象限陣階數(shù)和非線性補償問題，使得該理論模型具有重大缺陷。從圖5可見，使用傳統(tǒng)的幅度鍵控調制的光通信系統(tǒng)隨信噪比增加將偏離香農(nóng)定理決定的最大系統(tǒng)容量?；谙戕r(nóng)理論建立先進光通信系統(tǒng)的復雜模型，涵蓋高頻譜利用率、多極性振幅和相位調制、高速準線性傳輸、發(fā)射機預失真反向補償非線性效應和相干接收等前沿技術。該理論模型的建立，將拓展香農(nóng)理論在光信息領域的應用，解決光通信系統(tǒng)與香農(nóng)定理的偏離問題，為未來光通信的發(fā)展指出可行性方向，具有重大的理論和實用意義。

圖5 香農(nóng)定理與光通信系統(tǒng)不同調制方式的失配曲線

（2）逼近香農(nóng)理論限的實用信道編碼

LDPC具有多種譯碼算法和代數(shù)構造算法，性能較好的譯碼算法，復雜度較高，而復雜度較低的譯碼算法，其性能較差。LDPC譯碼算法的多樣性，提供了性能與復雜度折中的多種方案。針對高速光纖信道對糾錯碼的特殊要求，研究方案如下：利用有限幾何或投影幾何構造高碼率，構建長分組的結構化LDPC；利用BIBD技術構造高碼率，構建中等分組長度的結構化LDPC；研究適合上述兩種碼的具有低復雜度、高性能的譯碼算法；評估上述LDPC方案和其他幾種超強FEC方案在性能和編譯碼復雜度方面的優(yōu)劣。循序漸進，以期在逼近香農(nóng)理論限的、適于高速光纖通信系統(tǒng)的實用信道編碼系統(tǒng)設計理論方面獲得突破。

為了充分利用頻譜資源，抵抗信道間的相互串擾，實現(xiàn)超高速、超高容量的光纖傳輸，研究高譜效率的光調制技術是一個非常重要的內容。結合系統(tǒng)容量極限理論，根據(jù)光信道和發(fā)射接收端的準線性近似、非線性預補償和相干接收等機理，建立光發(fā)射/接收的有效模型，研究高頻譜效率的超正交光調制格式，提出具有高譜效率相位平滑多進制、多維度光調制解調的新方法；同時研究全光正交頻分復用（全光OFDM）理論與技術，設計并制作基于平面光波導（PLC）的差分正交相移鍵控/幅移鍵控（DQPSK/ASK）、全光OFDM等集成化調制解調器。

3.4 高增益、寬帶寬、高平坦度、超低噪聲的參量放大

從光場熱振幅及波動理論出發(fā)，研究參量放大（OPA）中噪聲產(chǎn)生的機理，進而研究相位敏感的光參量增益放大對噪聲的抑制機理，提出接近量子極限超低噪聲及相位再生的OPA實現(xiàn)方案。根據(jù)硅基及新型光子晶體光纖中參量放大的機理，研究利用新型參量增益介質實現(xiàn)性能優(yōu)異的光參量增益放大。

（1）接近量子極限超低噪聲的光纖參量放大

理想情況下，光纖參量放大器有極低的噪聲指數(shù)，但是實際方案中影響光參量放大器噪聲特性的有如下4個影響因子：AQN（放大的量子噪聲），泵浦的小范圍波動引起的相位失配進而影響增益譜，由于使用EDFA放大泵浦源而引起的ASE噪聲，泵浦波動轉移給信號增益的波動。以上4類噪聲通過OPA之后對信號的噪聲特性影響是非常顯著的。在光纖參量放大的耦合模方程中引入噪聲項，通過分步傅立葉法對方程組進行解析，分析各因素對噪聲指數(shù)的影響，進而設計減小噪聲的方案，使得噪聲性能接近量子極限3 dB。其中，量子噪聲起源于光場的量子起伏，與輸入信號與否無關，是系統(tǒng)固有噪聲，故相位不敏感的放大器噪聲指數(shù)最小也只能為3 dB。擬采用多種方案降低其余各種噪聲。其中，ASE噪聲中帶外噪聲通過帶通濾波器濾除，帶內噪聲采用頻譜擴展技術抑制，原理如圖6所示。

圖6中，輸入光信號經(jīng)過調制后展寬至fm，展寬后的信號在通過光放大器時附加了帶內ASE噪聲。對二者進行解調，原始信號通過解調過程恢復，而ASE噪聲進一步展寬至2fm，此時，ASE噪聲的頻譜密度減半，信噪比因此改善了3 dB，進而抑制了ASE噪聲。

（2）獲得寬帶、大增益、平坦度好的OPA光參量放大器增益：

帶寬：

增大峰值增益的方法有：提高增益光纖的入纖光功率，采用非線性系數(shù)大的光纖、光纖級聯(lián)；抑制布里淵散射，提高布里淵散射閾值；采用準相位匹配（QPM）技術。

增大增益帶寬的方法有：提高有效泵浦光注入功率，優(yōu)化光纖長度；使泵浦波長靠近零色散波長，設計合適的零色散波長變化；偏振方向相互垂直的雙重泵浦技術，并使兩泵浦光關于零色散波長對稱分布；減小色散斜率。

增加增益平坦度的方法有：多段高非線性光纖（具有不同零色散波長與光纖長度）的層疊結構；增益均衡技術；使用雙泵浦結構，并使得泵浦偏振方向平行，可以減小參量放大的偏振敏感性，提高增益平坦度。

（3）基于OPA實現(xiàn)全光3R再生

在3U系統(tǒng)中，信號在達到目的地之前需要經(jīng)過多個OPA而傳輸超長距離，光纖色散及非線性效應會使信號發(fā)生劣化。因此，具備高速3R再生的OPA是實現(xiàn)3U的關鍵技術。擬采用泵浦信號調制的光纖參量放大器實現(xiàn)無頻移的全光3R再生，如圖7所示。

由劣化信號中恢復時鐘脈沖，并利用此時鐘脈沖對泵浦光進行調制，調制后生成的泵浦與劣化后信號同時輸入新型參量介質（硅基或新型光子晶體光纖）中實現(xiàn)參量放大及再生。

在本方案中，時鐘信號的恢復源于劣化信號本身，所以對信號速率透明；另外，本方案結構簡單，有很高的響應速率，信號再生的同時可以獲得增益。

3.5 超高速傳輸系統(tǒng)中高精度多階色散管理及信號非線性損傷的抑制

圖6 頻譜擴展技術抑制ASE噪聲原理

圖7 無頻移3R再生OPA原理

因工藝、類型、距離、時間等多維度動態(tài)變化，色散變化復雜，現(xiàn)有的色散補償方法殘余色散高達50 ps/nm（單通道），難以滿足3U系統(tǒng)的需求。針對上述問題，以實現(xiàn)信號傳輸過程中非線性和色散的協(xié)同動態(tài)補償為目的，圍繞非線性和色散的產(chǎn)生機理、相互作用和轉化機制，研究在超高速光傳輸系統(tǒng)中非線性影響與傳統(tǒng)光傳輸系統(tǒng)的不同特性，實現(xiàn)非線性與色散的動態(tài)協(xié)同補償。

（1）針對全同步、異地相關光源傳輸體系和多維多階復雜調制格式下的色散和非線性效應作用建立一體化分析模型。采用模塊化仿真模型設計思想，基于非線性光纖光學、量子力學、半導體光電子學和物理光學建立寬帶全相干光源、光調制器、光纖、光接收機、色散管理和非線性補償模塊的仿真模型。各個模型具有自己的輸入輸出接口，既可以獨立工作，又可以通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口進行互聯(lián)互通。模型設計時提供與真實器件性能指標參數(shù)對應的數(shù)值屬性設置，便于器件與模型的相互轉換。在此基礎上，通過各個模型獨立的和系統(tǒng)的仿真數(shù)值分析，探尋新傳輸體系下非線性和色散協(xié)同作用導致的不同調制格式下傳輸信號畸變、時延、抖動、串擾和損耗問題的機理與表現(xiàn)規(guī)律，分析其對系統(tǒng)頻譜效率、傳輸距離和系統(tǒng)容量的影響，在此基礎上實現(xiàn)各種類型調制格式、光源和器件設計參數(shù)的自動優(yōu)化。進而根據(jù)研究結果發(fā)展信號預失真和接收端色散和相位補償?shù)挠行Х椒?，指導色散管理和非線性補償模塊的設計。

（2）基于四波混頻和受激散射實現(xiàn)高精度的色散測量。通過所建立復雜的受激散射放大下四波混頻光脈沖傳輸模型和快速傅立葉變換獲取線性相位失配沿光纖的變化情況，進而推導色散參量沿光纖長度的空間分布，總的色散值通過積分獲得。利用復雜的信息處理算法可以直接測量三階色散和四階色散的比值，實現(xiàn)四階色散的直接測量。

（3）將高精度色散管理設計為靜態(tài)可調和動態(tài)可調兩部分，分別應用于光纖傳輸線路和接收端，具有不同的色散要求。靜態(tài)可調部分用于補償絕大部分的線路色散。動態(tài)可調部分則基于光色散芯片和色散調整單元，光色散芯片采用陣列波導結構，可以實現(xiàn)獨立的色散及色散斜率調整，并能夠在調整單元的控制下根據(jù)各個通道剩余色散的大小和色散測量數(shù)據(jù)對所有光通道進行多階精確色散控制和均衡。

3.6 總體架構

綜合以上5個方面，將最終完成3U光傳輸?shù)幕A理論與關鍵技術的研究以及相關的實驗驗證。其實現(xiàn)的技術路線如圖8所示。

“973”計劃“超高速超大容量超長距離光傳輸基礎研究”項目根據(jù)研究內容設置了5個課題，分別是：

·課題一，160×100 Gbit/s超長距離光傳輸?shù)睦碚摵蛯嶒烌炞C；

·課題二，全光多波長自相關光源及非本振相關接收；

·課題三，高譜效率的光編碼和光調制；

·課題四，高增益、寬帶寬、高平坦度、超低噪聲的參量放大；

·課題五，超高速光傳輸非線性抑制與高精度色散管理。課題之間的關系如圖9所示。

4 驗證平臺及重要實驗

3 U光傳輸試驗平臺系統(tǒng)由光發(fā)送端設備、光線路中繼放大設備、光線路增益平坦設備和光接收端設備構成，其原理如圖10所示，其中各部件作用如下。

光發(fā)送端設備：光發(fā)送端設備放置在3U光傳輸試驗平臺系統(tǒng)的局端，其主要功能是將多路100 Gbit/s速率的數(shù)據(jù)信息分別調制到間隔為50 GHz的不同光波長上，然后分別經(jīng)過C/L波段合波和功率放大后，通過濾波片型C/L波分復用器合并在一根光纖里輸出。

圖8 技術路線

圖9 課題之間的相互關系

光線路中繼放大設備：光線路中繼放大設備放置在3U光傳輸試驗平臺系統(tǒng)的各個中繼站點上，其主要功能是將經(jīng)過80 km線路傳輸衰減的C/L波段光信號分別通過前置放大、色散補償和功率放大后繼續(xù)傳輸。

光線路增益平坦設備：光線路增益平坦設備放置在3U光傳輸試驗平臺系統(tǒng)的多級光線路中繼放大設備之間，每間隔8級中繼放大做一次增益平坦，用于彌補8級中繼放大后各波長通道積累下來的增益差，使各波長通道輸出的光功率值接近。

5 年間項目組建立了以百太比特級、超大容量、超高速2000 km光傳輸為代表的多套系統(tǒng)平臺和超高速調制解調算法體系，完成了多個國際領先或國際先進的系統(tǒng)實驗，主要包括：

·4 Gbit/s 400 km（標準單模光纖）無中繼超長跨距實時光傳輸系統(tǒng)，相當于5萬對人同時在一對光纖上通話；

·240 Gbit/s實時相干光、正交頻分復用48 km（標準單模光纖）光傳輸系統(tǒng)，相當于300萬對人同時在一對光纖上通話；

·單光源1 Tbit/s相干光、正交頻分復用1040 km傳輸技術與系統(tǒng)，相當于1250萬對人同時在一對光纖上通話，這是2010年已報道的全球最高水平；

圖10 驗證平臺總體框圖

·1.03 Tbit/s 12 160 km（標準單模光纖）光傳輸系統(tǒng)實驗，這是Tbit/s級傳輸全球最遠距離，相當于1280萬對人同時在一對光纖上通話；

·單光源3.2 Tbit/s 2087 km（標準單模光纖）實時光傳輸系統(tǒng)實驗，相當于在一對光纖上4 000萬對人同時通話；

·168×100 Gbit/s正交頻分復用2 240 km（標準單模光纖）光傳輸系統(tǒng)實驗，相當于2.1億對人同時在一對光纖上通話；

·30.7 Tbit/s超大容量80 km（標準單模光纖）光傳輸系統(tǒng)實驗，相當于3.8億對人同時在一對光纖上通話；

·67.44 Tbit/s超大容量160 km（標準單模光纖）光傳輸系統(tǒng)實驗，相當于8.4億對人同時在一對光纖上通話；

·100 Tbit/s超大容量80 km（標準單模光纖）光傳輸系統(tǒng)實驗，相當于12.1億對人同時在一對光纖上通話，使我國步入具有百太比特級實驗能力的國家行列。

通過這些實驗，充分驗證了針對3個科學問題所提出的各項理論和方法的正確性，為我國3U研究的跨越式發(fā)展提供了核心技術和平臺支撐。

5 成果總結

“973”計劃“超高速超大容量超長距離傳輸基礎研究”項目的多項研究成果達到世界先進水平，其中“單光源1 Tbit/s LDPC相干光OFDM 1040 km傳輸技術與系統(tǒng)”經(jīng)工業(yè)和信息化部科技司鑒定，與國際已報道的同類實驗系統(tǒng)相比，達到了國際領先水平。

本項目不僅立足于3U光傳輸?shù)幕A理論與關鍵技術研究，還將多項研究成果推廣到產(chǎn)業(yè)化應用中，在滿足國家戰(zhàn)略需要的同時也帶來了社會經(jīng)濟效益。

協(xié)助光迅科技股份有限公司研究提出了一種基于MEMS微小外腔的可調諧激光器結構和采用新型3×8混頻器芯片結構的集成相干接收機構造方法，國內率先完成了可調諧激光器、集成相干接收機、光性能監(jiān)測模塊（OPM）等核心器件的研制，其中OPM被國內外光通信主流廠商廣泛采用，其他器件也先后投入以中國電信干線、廣東移動、江蘇聯(lián)通等為代表的上百段實際工程應用。

提出了基于高階調制和高碼率糾錯LDPC、高陡降性和高旁瓣抑制比的光OFDM-OQAM調制等方法，在保證譜效率的同時提升了系統(tǒng)傳輸性能，形成了系列的數(shù)字相干光通信算法，并協(xié)助烽火通信科技股份有限公司研制完成了100 Gbit/s線路側收發(fā)模塊，該成果已應用于國內運營商、馬來西亞等商用系統(tǒng)工程中。

項目提出了多種新型高譜效率多維多階調制格式，采用CAP（無載波幅度和相位）調制方式實現(xiàn)了10 Gbit/s、40 Gbit/s、60 Gbit/s和5×110 Gbit/s傳輸實驗，發(fā)表了有國際重要影響（ESI相關領域排名位于世界前0.1%～1%）的學術論文。提出了新型多模環(huán)形盲均衡處理算法和多模矩形盲均衡處理算法，高階調制信號頻譜效率突破4 bit/（s·Hz），發(fā)表了有國際重要影響（ESI相關領域排名位于世界前0.1%～1%）的學術論文。項目在高譜效率單載波奈奎斯特調制、正交頻分復用調制、多元低密度校驗編碼、全光傅里葉變換非線性噪聲抑制、太比特級光分插復用等方面取得顯著成果，在國內外學術期刊上共發(fā)表學術論文345篇，其中SCI論文202篇；申請發(fā)明專利93項，授權6項。共培養(yǎng)博士生51名，碩士生134名。本項目承擔單位武漢郵電科學研究院為中央企業(yè)（轉制院所），與國內高校復旦大學、北京郵電大學、華中科技大學、西安電子科技大學和國內運營商合作，在高譜效率單載波奈奎斯特調制、DFTS-OFDM調制、多元QC-LDPC、全光傅里葉變換非線性噪聲抑制、太比特級光分插復用等方面取得顯著成果和效益，成為國內的產(chǎn)學研結合和協(xié)同創(chuàng)新的范例。

6 結束語

本文從3U光傳輸研究的背景與意義出發(fā)，介紹了“973”計劃“超高速超大容量超長距離光傳輸基礎研究”項目研究的緊迫性與重要性，給出了3U光傳輸?shù)?個科學問題以及5項基本研究任務，包括理論與實驗驗證、多波長光源、光編碼與光調制、參量放大、非線性抑制與色散管理，在研究獲得的基礎理論與關鍵技術的基礎上，搭建了3U光傳輸?shù)膶嶒烌炞C平臺并完成了多項重要實驗。

致謝：項目期間，武漢郵電科學研究院光纖通信技術和網(wǎng)絡國家重點實驗室團隊，復旦大學遲楠團隊，北京郵電大學余重秀和忻向軍團隊，華中科技大學劉德明團隊、曹祥東團隊、李蔚團隊、傅松年團隊、崔晟團隊、黃本雄團隊等，西安電子科技大學王新梅團隊和文愛軍團隊，均在其中做了大量工作。5年間先后得到趙梓森院士、鄔賀銓院士、周炳琨院士、中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心錢華林研究員、哈爾濱工業(yè)大學強文義教授、中國科學院電子學研究所崔大付研究員、南開大學董孝義教授、西安電子科技大學馬建峰教授、北京大學徐安士教授、北京郵電大學林金桐教授、工業(yè)和信息化部電信研究院張海懿高級工程師等多名專家的指導與幫助，在此一并表示感謝。