2010CB328300超高速超大容量超長距離光傳輸基礎(chǔ)研究.doc

1、項目名稱： 超高速超大容量超長距離光傳輸基礎(chǔ)研究首席科學(xué)家： 余少華武漢郵電科學(xué)研究院起止年限：2010 年 1 月 -2014 年 8 月依托部門：湖北省科技廳、研究內(nèi)容關(guān)鍵科學(xué)問題本項目立足于開拓光纖通信發(fā)展的新思路， 系統(tǒng)科學(xué)地研究超高速光傳輸基礎(chǔ)理論，探索超高速光傳輸系統(tǒng)特有的內(nèi)在基本規(guī)律，以實現(xiàn)光譜利用高效化、傳輸距離超長化、網(wǎng)絡(luò)干線高速化、信號管理動態(tài)化為目標(biāo)，創(chuàng)建3U 光傳輸?shù)睦碚摗?方法和技術(shù)體系。 針對上述目標(biāo)及國家信息基礎(chǔ)設(shè)施的需求， 本項目圍繞下列三個關(guān)鍵科學(xué)問題對超高速光傳輸系統(tǒng)的理論與實現(xiàn)方法展開研究。科學(xué)問題一：高譜效率的途徑、機(jī)理與容量限問題信息論及數(shù)字通信時代的

2、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(shè)信道具有較弱的非線性效應(yīng)、 低色散和傳輸速率限制。 由于這些研究中沒有考慮調(diào)制方式、 象限陣階數(shù)和非線性補(bǔ)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(jìn)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(diào)制、 高速準(zhǔn)線性傳輸、 發(fā)射機(jī)預(yù)失真反向補(bǔ)償非線性效應(yīng)和相干接收等前沿技術(shù)) ，是亟需解決的關(guān)鍵科學(xué)理論問題之一。此外，要達(dá)到接近香農(nóng)極限的信號傳輸效率,需要超強(qiáng)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(guān)

3、系，當(dāng)數(shù)據(jù)信號為二進(jìn)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(dāng)數(shù)據(jù)信號為M 進(jìn)制時， 奈奎斯特定理決定的信道容量為 C=2Blog 2M ， 因此提高數(shù)據(jù)進(jìn)制可以提高系統(tǒng)的容量。 復(fù)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(jī)判決的復(fù)雜度。 因此如何在多電平編碼情況下實現(xiàn)接收機(jī)多電平軟判決也是本問題需要研究的重要內(nèi)容。本科學(xué)問題在香農(nóng)理論的基礎(chǔ)上建立適應(yīng)光纖傳輸信道和發(fā)射接收系統(tǒng)的準(zhǔn)線性近似、 非線性預(yù)補(bǔ)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(lǐng)域的應(yīng)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

4、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(chǔ)上，探討提高 3U 頻譜效率的途徑及其機(jī)制，以期較大程度的提高現(xiàn)有通信系統(tǒng)的頻譜利用率， 使之接近香農(nóng)極限， 為最大限度的提升3U 系統(tǒng)容量服務(wù)。科學(xué)問題二：復(fù)雜光纖色散與多階均衡問題研究復(fù)雜的光纖色散機(jī)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(jìn)調(diào)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(jī)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(shù)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

5、色散的復(fù)雜變化進(jìn)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(chǔ)建立有效的超 高精度全波段的多階補(bǔ)償機(jī)制。本科學(xué)問題涵蓋超高精度色散管理的兩個核心部分： （1）高精度色散在線精確測量：利用復(fù)雜色散模型和信息處理算法能夠?qū)崿F(xiàn)對色散的檢測； （2）色散及色散斜率獨立可調(diào)： 高精度色散管理分為靜態(tài)可調(diào)和動態(tài)可調(diào)兩部分， 分別應(yīng)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(diào)整能夠?qū)λ泄馔ǖ肋M(jìn)行多階精確色散控制和均衡。 這兩個核心內(nèi)容結(jié)合在一起， 構(gòu) 成了光纖色散的基礎(chǔ)理論框架， 解決了高階色散補(bǔ)償問題， 形成由一階色散補(bǔ)償向多階色散均衡的飛躍?？茖W(xué)問題三： 3U

6、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 光纖通訊系統(tǒng)的核心問題之一。 和單纖速率為 10Gbit/s 和 40Gbit/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(zhì)不同， 不同調(diào)制格式的頻譜也不同， 使得光傳輸 的非線性影響是前者的數(shù)十倍。對光傳輸有重要作用的非線性效應(yīng)有：受激布里淵散射（SBS）,受激拉曼散射（SRS）,自相位調(diào)制（SPM）,交叉相位調(diào)制（XPM）,四波混頻（FWM）等。其中 SPM 、 XPM 、 FWM 源于同一個非線性機(jī)制 （Kerr 效應(yīng) ） ，具有響應(yīng)帶寬遠(yuǎn)大于 DWDM 系統(tǒng)所有波長總帶寬、能和光纖色散相

7、互作用的復(fù)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(nèi)、 帶外多種非 線性因素的復(fù)雜相互作用的特征。在傳統(tǒng)光傳輸中， 非線性效應(yīng)是以統(tǒng)計形式表現(xiàn)出來的， 光通道內(nèi)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(fù)雜，目前沒有很有效的抑制方法。本科學(xué)問題以高精度色散管理技術(shù)為基礎(chǔ)， 重點研究和揭示多種非線性效應(yīng)相互作用的機(jī)理及規(guī)律； 結(jié)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(jī)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

8、適變性；實現(xiàn)3U全波段光纖通道準(zhǔn)線性傳輸。 這種方法能夠?qū)γ總€光比特信號的相對時間位置精確管理，還能充分利用全光信號處理技術(shù)對所有光通道信號波型進(jìn)行再生處理，在消除非線性效應(yīng)的同時，對其他傳輸信號失真（比如 PMD ）也進(jìn)行了糾正補(bǔ)償。主要研究內(nèi)容圍繞上述的三個關(guān)鍵科學(xué)問題，本項目針對以下五項內(nèi)容展開研究。160 X100Gb/s 2000 公里的3U光傳輸基礎(chǔ)理論驗證系統(tǒng)完成超高速光傳輸?shù)睦碚撜撟C， 建立科學(xué)的理論依據(jù)， 研究實現(xiàn)超高速光通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)， 確定實現(xiàn)途徑及方案， 指導(dǎo)其他課題按照正確的思路去解決問題； 建立超高速光傳輸系統(tǒng)的理論模型， 以仿真系統(tǒng)和實驗演示系統(tǒng)為綜合實驗平臺

9、， 研究理論模型的可行性， 對接近香農(nóng)極限的規(guī)律性進(jìn)行研究； 完成超高速光傳輸?shù)捏w系結(jié)構(gòu)設(shè)計，設(shè)計并優(yōu)化驗證系統(tǒng)方案，完成160 X100Gb/s 2000 公里的 3U 光傳輸基礎(chǔ)理論驗證系統(tǒng)。全光多波長自相關(guān)光源的產(chǎn)生及非本振相關(guān)接收理論與實現(xiàn)全光多波長、自相關(guān)、超低相位噪聲光源及其非本振相關(guān)接收理論；提高相干接收靈敏度和頻譜效率的高相干性種子光源；超窄帶梳狀濾波及精密合波技術(shù)；基于自相關(guān)探測的雙波長傳輸特性；單信道雙波長傳輸?shù)姆蔷€性串?dāng)_消除。基于先進(jìn)調(diào)制格式及編碼方式的全光、高譜效率的光發(fā)射 / 接收理論與實現(xiàn)系統(tǒng)容量極限理論； 光信道和發(fā)射接收端的準(zhǔn)線性近似、 非線性預(yù)補(bǔ)償和相干接收等

10、機(jī)理；基于有限幾何或投影幾何構(gòu)建高效前向糾錯碼（FEC理論及其對光信號性能的影響機(jī)制；光發(fā)射/ 接收的有效模型；高頻譜效率的超正交光調(diào)制格式； 具有高譜效率相位平滑多進(jìn)制、 光調(diào)制解調(diào)的新方法； 全光正交頻分復(fù)用（全光OFDM ）理論與技術(shù)；基于平面光波導(dǎo)（PLC）的差分正交相移鍵控/幅 移鍵控（ DQPSK/ASK ） 、全光 OFDM 等集成化調(diào)制解調(diào)器。高增益、寬帶寬、高平坦度、超低噪聲的參量放大理論與實現(xiàn)接近量子極限超低噪聲的光放大機(jī)理及相應(yīng)的實現(xiàn)方案； 基于相位選擇性的再生機(jī)理與光放大方法； 帶寬和窗口均可動態(tài)配置參量放大器理論研究與實現(xiàn)方法；全光多通道信號3R 再生機(jī)制和方法。超高

11、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理論與實現(xiàn)超高速光傳輸高階（ 4 階）色散機(jī)理，色散精確管理、多階均衡理論及高精度色散的精確測量理論； 基于高效編碼克服偏振模色散機(jī)理與偏振模色散管理方法；超高速光纖單信道帶內(nèi) / 多信道帶內(nèi)外的混合非線性機(jī)理和非線性協(xié)同適變性問題； 超高速超密集波分系統(tǒng)中色散與非線性相互作用及轉(zhuǎn)化機(jī)制的模型； 光信號（全同步）非線性非對稱碰撞、色度色散控制及其動態(tài)協(xié)同管理機(jī)制；相位調(diào)制誘導(dǎo)幅度抖動的非線性作用機(jī)理及抑制方法。、預(yù)期目標(biāo)總體目標(biāo)本項目的總體目標(biāo)是： 以國家信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的戰(zhàn)略需求為牽引， 以解決超高速光傳輸?shù)南冗M(jìn)格式調(diào)制、 精密色散管理和非

12、線性抑制方法問題為核心， 研究超高速光傳輸?shù)幕A(chǔ)理論與方法， 實現(xiàn)從傳統(tǒng)非相關(guān)通信模式到新型相關(guān)通信模式的轉(zhuǎn)變；以網(wǎng)絡(luò)干線高速化、傳輸距離超長化、光譜利用高效化、信號管理動態(tài)化為目標(biāo)， 提出一整套超高速光傳輸?shù)臋C(jī)理與模式， 實現(xiàn)基礎(chǔ)理論上的突破、關(guān)鍵技術(shù)上的創(chuàng)新， 使我國在相關(guān)領(lǐng)域的研究成果進(jìn)入國際領(lǐng)先行列。 與此同時，在基礎(chǔ)研究成果與相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的結(jié)合方面形成研究特色，在理論研究的基礎(chǔ)上，搭建出一套160 X100Gb/s 2000公里的3U光傳輸基礎(chǔ)理論驗證系統(tǒng)；培養(yǎng)和建立一支學(xué)術(shù)水平高、 創(chuàng)新能力強(qiáng)的科研隊伍， 為我國在未來十年內(nèi)建立新型國家信息基礎(chǔ)設(shè)施打下堅實的基礎(chǔ)，為我國信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)

13、展提供核心技術(shù)的支持。五年預(yù)期目標(biāo)通過五年的研究工作，本項目預(yù)期成果為：本項目理論成果：1 ）揭示超高速光編碼調(diào)制的譜效率極限規(guī)律建立基于先進(jìn)調(diào)制格式和編碼的相關(guān)通信理論分析模型；揭示香農(nóng)定理在超高速光通信中的普適性規(guī)律，解決傳統(tǒng)光通信系統(tǒng)與香農(nóng)定理的偏離問題；提出高頻譜效率的超正交光調(diào)制格式和光信道編碼方法；提出 3U 系統(tǒng)高譜效率光編碼調(diào)制基礎(chǔ)理論和方法。2 ）建立超高速光傳輸精確色散管理機(jī)制揭示超高速光傳輸高階（ 4 階） 色散機(jī)理， 提出精確管理理論及高精度色散的精確測量方法；提出光信號（全同步）非線性非對稱碰撞、色度色散控制及其精確管理的方法；提出 3U 光傳輸復(fù)雜光纖色散與多階均衡

14、理論， 實現(xiàn) 3U 全波段、 精 確色散管理基礎(chǔ)理論和方法的突破。3 ）提出全波段非線性抑制和色散的動態(tài)協(xié)同理論揭示相位調(diào)制誘導(dǎo)幅度抖動的非線性作用機(jī)理，并提出抑制方法；提出超高速光纖單信道帶內(nèi) / 多信道帶內(nèi)外的混合非線性作用模型；構(gòu)建超高速超密集波分系統(tǒng)中色散與非線性相互作用及動態(tài)協(xié)同理 論；提出全波段非線性抑制及其動態(tài)協(xié)同理論， 實現(xiàn)全波段準(zhǔn)線性傳輸。4 ）建立全光多波長自相關(guān)光源及非本振相關(guān)接收理論和方法提出光載波同源自相關(guān)、各光通道全同步和寬帶高相干性種子光源機(jī)制，在 3U 光傳輸相關(guān)發(fā)射與接收理論和方法上取得突破。5 ）建立超高速光傳輸系統(tǒng)的理論模型提出多波長超低相位噪聲全通道自相

15、關(guān)光源的理論模型；給出基于有限幾何或投影幾何構(gòu)造高效率FEC編碼理論；給出多通道自相關(guān)雙波長傳輸特性；揭示接近量子噪聲極限、相位選擇性、動態(tài)配置參量光放大機(jī)理；建立光信道和發(fā)射接收端的準(zhǔn)線性近似、非線性預(yù)補(bǔ)償和非本振相關(guān)接收理論模型。在國內(nèi)外核心刊物及重要會議上發(fā)表論文200 篇以上（包括OFC 、 ECOC 、LEOS 等高水平的國際會議和 PTL、 JLT、 OE、 OL 等重要國際刊物） ，其中 SCI 收錄論文 100 篇以上。提交 ITU-T 國際標(biāo)準(zhǔn)建議文稿5 篇，申請發(fā)明專利 35 項以上，含基礎(chǔ)專利申請 5 項。理論成果驗證：完成 3U 光傳輸驗證系統(tǒng)，主要技術(shù)指標(biāo)如下：( 1

16、 單波速率100Gb/s ；( 2 總波長數(shù)160 波；( 3 系統(tǒng)傳輸距離2000km ；(4譜效率 160 波優(yōu)于 2.5bit/s/Hz ；( 5 編碼增益10dB ；( 6 160 個通道頻譜范圍內(nèi)的殘余色散小于 10ps/nm 。培養(yǎng)國家級和省部級優(yōu)秀學(xué)術(shù)帶頭人6 人以上；培養(yǎng)博士生40 名以上，碩士生 80 名以上。三、研究方案學(xué)術(shù)思路本項目旨在系統(tǒng)地研究超高速光通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論與實現(xiàn)方法， 學(xué)術(shù)思路體現(xiàn)如下所述：以我國當(dāng)前的通信網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢為背景， 以實現(xiàn)未來光纖通信網(wǎng)絡(luò)的高速、高性能、高譜效率、大容量和長距離多通道傳輸為目標(biāo)，研究基礎(chǔ)性的科學(xué)問題， 包括多波長自相關(guān)光源

17、產(chǎn)生機(jī)理、 全光信號處理的理論、 非線性損傷的抑制、超高精度色散管理等，建立 160 X100Gb/s 2000 公里的3U光傳輸基礎(chǔ) 理論驗證系統(tǒng)，研究實現(xiàn)超高速光通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，確定實現(xiàn)途徑及方案。以仿真系統(tǒng)和實驗演示系統(tǒng)為綜合實驗平臺， 研究理論模型的可行性、 優(yōu)化系統(tǒng) 實現(xiàn)方案。遵循上述學(xué)術(shù)思路， 采取理論與實驗相結(jié)合的研究方法， 對相關(guān)的五個課題內(nèi)容展開研究， 創(chuàng)建完整的超高速傳輸系統(tǒng)模型， 推動超高速傳輸基礎(chǔ)研究的不斷深入， 提供具有國際先進(jìn)水平的超高速光通信研究成果， 力爭數(shù)年內(nèi)為我國信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提供強(qiáng)有力的支持。技術(shù)路線構(gòu)建一種調(diào)制格式透明的160Xl00Gb/s超長距

18、離光通信平臺。該系統(tǒng)應(yīng)用全波長自相關(guān)光源,采用異地相關(guān)光源傳送模式，實現(xiàn)具有FEC 的新型高速調(diào)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(yīng)等影響。研究“非本振相關(guān)傳輸與接收”創(chuàng)新理論與方法，主要針對大容量信息傳輸系統(tǒng)， 在發(fā)送端利用超連續(xù)譜與超密集波分復(fù)用技術(shù)產(chǎn)生全通道自相關(guān)雙波長光源， 其中一路波長用于承載信號， 另一路波長用于遠(yuǎn)端非本振相關(guān)接收。 非本振相關(guān)接收既具有相干光通信的超強(qiáng)能力，又不需要苛刻的本振相干接收光源。采取理論與實驗相結(jié)合的方法研究高速光調(diào)制、 編碼中的深層科學(xué)問題?；谟成湓淼娜釵FDM 理論與全光傅立葉

19、變換編解碼理論，構(gòu)建全光OFDM 調(diào)制、解調(diào)模型，并在光域?qū)崿F(xiàn)一定的邏輯操作（如添加循環(huán)前綴） ；根據(jù)光纖中光場的分布特性，構(gòu)造出一種在光的偏振、相位、頻率、幅度上同時加載信息的新型超正交信號模型（如 Pol-DQPSK/ASK ） ；研究微光學(xué)集成以及空問傅立葉光學(xué)和光纖波導(dǎo)光學(xué)的相似性和一致性，在平面光波導(dǎo)（ PLC）上實現(xiàn) DQPSK/ASK 、全光 OFDM 等集成化的調(diào)制解調(diào)器。采用光域糾錯碼減緩正交信號不同維度信息間的互擾，降低系統(tǒng)對激光器線寬的要求，提升系統(tǒng)的性能。從量子理論出發(fā)深入研究FOPA 產(chǎn)生的機(jī)理，研究三階參量過程中相位匹配的原理和要求，為高增益、寬帶寬、高平坦度、超低

20、噪聲的參量放大技術(shù)及其實現(xiàn)提供堅實的理論基礎(chǔ)。 從光場熱振幅及波動理論出發(fā)， 研究 FOPA 中噪聲產(chǎn)生的機(jī)理， 進(jìn)而研究相位敏感的光參量增益放大對噪聲的抑制機(jī)理， 提出接近量子極限超低噪聲 FOPA 的實現(xiàn)方案。根據(jù)微結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料的熱物理參數(shù)與拉制工藝參數(shù)之間的動態(tài)關(guān)系，建立拉制微結(jié)構(gòu)光纖所需要的理論模型， 研究、 設(shè)計基于硫化物玻璃或者二氧化硅的新型微結(jié)構(gòu)光纖， 實現(xiàn)性能優(yōu)異的光參量增益放大。深入研究高速光傳輸單通道超高速光纖信道帶內(nèi)組合與帶內(nèi)外混合非線性機(jī)理， 揭示超高速光傳輸系統(tǒng)中非線性在頻譜帶寬、 光信號波型、 相位噪聲等方面與傳統(tǒng)光傳輸系統(tǒng)不同的特性。建立群速度色散和偏振

21、模色散與材料折射率、 光纖結(jié)構(gòu)、 環(huán)境變化等因素相對應(yīng)的完整理論模型， 全面評估信息傳遞過程中色散參量與各限制因素的動態(tài)交互情況， 實現(xiàn)非線性與色散的協(xié)同管理。 深入探討光克爾效應(yīng)對PMD 抑制的物理機(jī)制， 采用孤子控制技術(shù)和色散管理孤子技術(shù)及糾錯碼技術(shù)來進(jìn)行色散的全階補(bǔ)償， 有效提高傳輸系統(tǒng)的 PMD 容限。 基于本項目創(chuàng)新性研制的多波長超低相位噪聲全通道自相關(guān)光源中所提取的歸零時鐘信號實現(xiàn)在線色散和 PMD 監(jiān)測。4.3 主要創(chuàng)新點與特色本項目主攻具有國際影響力的基礎(chǔ)研究熱點和難點， 著重解決發(fā)展光通信的瓶頸問題， 5 年后力爭在理論研究取得原創(chuàng)性成果和核心知識產(chǎn)權(quán)。力爭在全光多波長自相關(guān)

22、光源和非本振相關(guān)接收基礎(chǔ)理論、 復(fù)雜光纖色散與多階均衡基礎(chǔ)理5. 3U 光傳輸系統(tǒng)體系架構(gòu)和實現(xiàn)方法。本項目在全相關(guān)種子光源，自相關(guān)論等取得重大突破。本項目的創(chuàng)新點將表現(xiàn)在以下幾個方面：3U 系統(tǒng)高譜效率光編碼調(diào)制基礎(chǔ)理論和方法。 針對光傳輸?shù)淖V效率偏低（ 0.8bit/s/Hz ）的問題，本項目提出高譜效率、光調(diào)制解調(diào)基礎(chǔ)理論和新方法（包括建立準(zhǔn)線性調(diào)制機(jī)理與多階調(diào)制解調(diào)新模型， 提出基于空間光學(xué)全光傅立葉變換的編解碼理論； 利用有限幾何和均衡不完全區(qū)組設(shè)計， 構(gòu)造低復(fù)雜度的高速譯碼算法編碼調(diào)制新機(jī)制） ，通過 3U 驗證系統(tǒng)驗證，預(yù)計譜效率可提高到優(yōu)于 2.5bit/s/Hz 的水平（提高

23、 2 倍以上） ；并為需要高譜效率的其他光網(wǎng)絡(luò)（如光交換網(wǎng)絡(luò)）奠定理論基礎(chǔ)和提供實現(xiàn)方法。3U 光傳輸復(fù)雜光纖色散與多階均衡理論。針對復(fù)雜的光纖色散制約了3U 傳輸速率和傳輸距離、導(dǎo)致3U 光傳輸難以實現(xiàn)的問題，本項目構(gòu)建復(fù)雜色散模型和信息處理算法， 提出對所有光通道進(jìn)行多階精確色散控制和均衡理論及其實現(xiàn)方法 （包括提出光纖色散的基礎(chǔ)理論框架， 解決復(fù)雜色散多階均衡問題） ，通過 3U 驗證系統(tǒng)驗證，實現(xiàn)3U 全波段、高階精確色散管理基礎(chǔ)理論和方法的突破。3U 光傳輸全波段非線性抑制和色散的動態(tài)協(xié)同理論。針對 3U 系統(tǒng)的非線性影響是10G 系統(tǒng)的數(shù)十倍、導(dǎo)致3U 光傳輸難以實現(xiàn)的問題，本項目

24、建立非線性、 色度色散控制及其協(xié)同管理的理論和方法 （包括揭示精確數(shù)據(jù)比特光程差控制機(jī)制，提出全新的非線性抑制協(xié)同機(jī)理和方法） ，通過 3U 驗證系統(tǒng)驗證，實現(xiàn) 3U 全波段光纖通道準(zhǔn)線性傳輸（改進(jìn) 3dB ，傳輸距離增加一倍） ；為非線性問題向準(zhǔn)線性過渡提供相關(guān)研究思路及方法。3U 光傳輸全相干發(fā)射與接收理論。 針對現(xiàn)有 DWDM 各個通道非相關(guān)和非線性相互作用非相關(guān)等特征， 導(dǎo)致非線性效應(yīng)難以抑制等問題， 本項目基于光載波同源自相關(guān)和各光通道全同步模型， 提出寬帶高相干性種子光源機(jī)制。 針對非相干接收無法滿足3U光傳輸要求、相干接收本振（LO）鎖相技術(shù)過于復(fù)雜，難以實現(xiàn)（比如光載波頻率為百

25、 THz 量級）的難題，本項目建立隨路雙波長傳輸、遠(yuǎn)端非本振相關(guān)接收理論，通過3U 驗證系統(tǒng)驗證，實現(xiàn)3U 光傳輸全相干發(fā)射與接收基礎(chǔ)理論和方法的突破；對全光信息處理有重要借鑒意義。接收，多階色散均衡和非線性協(xié)同適變等創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，建立3U 光傳輸?shù)捏w系架構(gòu)， 有效解決現(xiàn)有密集波分復(fù)用系統(tǒng)中難以克服的高譜效率、 多階色散和非線性等難題，實現(xiàn)160 X100Gb/s 2000 公里的3U光傳輸基礎(chǔ)理論驗證系統(tǒng)，完 成對以上主要創(chuàng)新理論和方法的驗證。本項目的特色將表現(xiàn)在以下幾個方面：著重解決光通信發(fā)展的瓶頸問題和重大基礎(chǔ)理論問題。主攻方向上形成具有國際影響力的源頭創(chuàng)新成果和知識產(chǎn)權(quán)，符合國家信息基

26、礎(chǔ)設(shè)施的戰(zhàn)略需求。 5 年后力爭在理論研究方面取得原創(chuàng)性成果和核心知識產(chǎn)權(quán)。由轉(zhuǎn)制院所（央企）牽頭，探求以企業(yè)為主體的產(chǎn)學(xué)研用相結(jié)合的創(chuàng)新模式，為課題成果的發(fā)展應(yīng)用提供快速和有效途徑。實現(xiàn)160 X100Gb/s 2000 公里的3U光傳輸基礎(chǔ)理論驗證系統(tǒng)，完成對 以上主要創(chuàng)新理論的驗證，為理論研究成果轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實生產(chǎn)力提供有力支撐。匯集一批創(chuàng)新型歸國優(yōu)秀人才?？尚行苑治鲅芯啃枨笃惹小Ｐ畔⒘康谋ㄐ猿掷m(xù)增長使得未來光纖通信網(wǎng)絡(luò)對傳輸速率、頻譜效率、動態(tài)可重構(gòu)性等方面需求日益迫切。采用具有頻譜利用率高、色散容忍度高、系統(tǒng)兼容性強(qiáng)的以太網(wǎng)新型相關(guān)通信是構(gòu)筑100Gb/s 新一代超高速光通信網(wǎng)絡(luò)最有前

27、景的技術(shù)。研究目標(biāo)明確。本項目設(shè)定的研究目標(biāo)源于對光纖通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展演變的深刻認(rèn)識，依據(jù)新型100Gb/s 光傳輸系統(tǒng)的相關(guān)模式和機(jī)理，建立超高速光傳輸系統(tǒng)的理論、 方法和技術(shù)體系， 提出關(guān)鍵技術(shù)方案， 實現(xiàn)光纖通信網(wǎng)絡(luò)光譜利用高效化、傳輸距離超長化、網(wǎng)絡(luò)干線高速化、信號管理動態(tài)化的目標(biāo)。研究思路清晰。本項目以國家信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的戰(zhàn)略需求為牽引，緊密圍繞三個關(guān)鍵科學(xué)問題和五項研究內(nèi)容，在160Xl00Gb/s長距離光傳輸系統(tǒng)架構(gòu)與實驗驗證、自相關(guān)光源、光發(fā)射/ 接收理論、參量放大、精密色散管理和非線性抑制方法等方面開展研究工作，建立160 X100Gb/s 2000 公里的3U光傳輸基礎(chǔ)理論驗

28、證系統(tǒng)， 奠定我國在高速、 高譜效率、 大容量光纖通信系統(tǒng)的良 好理論基礎(chǔ)，研究思路明確清晰。研究基礎(chǔ)雄厚。項目申請單位在光通信相關(guān)領(lǐng)域具有很好的研究基礎(chǔ)，取得了一系列研究成果， 積累了豐富的研究經(jīng)驗； 完成和承擔(dān)了國家自然科學(xué)基金重大研究計劃、 國家自然科學(xué)基金重點項目、 863 重點項目、 教育部重大專項等一批重要項目，取得了豐碩的研究結(jié)果，具備完成本項目研究的基礎(chǔ)和能力。研究條件具備。本項目的主要承擔(dān)單位均是國內(nèi)知名的高水平大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)， 共擁有 1 個國家實驗室和多個國家、 教育部重點實驗室及國家級重點學(xué)科，各承擔(dān)單位都具有先進(jìn)的儀器設(shè)備和良好的實驗環(huán)境，具備建立160 X100Gb

29、/s 2000 公里的 3U 光傳輸基礎(chǔ)理論驗證系統(tǒng)的基礎(chǔ)條件。研究隊伍優(yōu)秀。本課題由青年科學(xué)家擔(dān)任首席科學(xué)家，學(xué)術(shù)骨干由多位在國內(nèi)外具有相當(dāng)研究實力的中青年專家和一批具有博士學(xué)位的青年學(xué)者組成，整個研究隊伍年齡結(jié)構(gòu)合理、學(xué)術(shù)水平高。課題設(shè)置各課題間相互關(guān)系本項目的課題設(shè)置將圍繞項目的總體目標(biāo)， 針對三個關(guān)鍵科學(xué)問題和五項重點研究內(nèi)容， 結(jié)合參加研究單位的優(yōu)勢與特點， 進(jìn)行有機(jī)分解， 各個課題分工明確，既具有獨立性，又相輔相成、互相支撐，共同推進(jìn)項目的進(jìn)展。本項目具體分解為以下五個課題 :1） 160 xi00Gbit/s超長距離光傳輸?shù)睦碚摵蛯嶒烌炞C；2 ）全光多波長自相關(guān)光源及非本振相關(guān)接

30、收；3 ）高譜效率的光編碼和光調(diào)制；4 ）高增益、寬帶寬、高平坦度、超低噪聲的參量放大；5 ）超高速光傳輸非線性抑制與高精度色散管理。每個課題設(shè)1名課題負(fù)責(zé)人，協(xié)助項目首席科學(xué)家進(jìn)行課題的管理和各課題問及課題參加單位間的協(xié)調(diào)。各課題分別設(shè)定其主攻方向，但相輔相成，通過共 同攻關(guān)，實現(xiàn)項目的總體目標(biāo)。其中，課題 1和課題2解決高速光傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 與統(tǒng)一光源的問題，是后續(xù)研究課題的基礎(chǔ)；課題 3-5分別解決系統(tǒng)高譜效率、 全光信息處理、高精度色散管理、非線性效應(yīng)和損耗抑制問題；課題 25的研 究成果又為課題1開展超高速光傳輸驗證系統(tǒng)研究奠定理論與技術(shù)基礎(chǔ)。課題問 的關(guān)系如圖1所示。課題設(shè)置關(guān)系5個

31、子課題圖1課題設(shè)置關(guān)系課題1、160X 100Gbit/s超長距離光傳輸?shù)睦碚摵蛯嶒烌炞C 預(yù)期目標(biāo)：建立基于先進(jìn)調(diào)制格式和編碼的相關(guān)通信理論分析模型；揭示香農(nóng)定理在超高速光通信中的普適性規(guī)律，解決傳統(tǒng)光通信系統(tǒng)與香農(nóng)定理的容量限和規(guī)律性問題；設(shè)計超高速光傳輸?shù)捏w系結(jié)構(gòu)，提出解決關(guān)鍵技術(shù)問題的思路；完成一套160 xi00Gb/s的超高速光傳輸系統(tǒng)，完成2000km的實驗傳輸驗證。研究內(nèi)容：課題設(shè)置思路：該課題的設(shè)置以實現(xiàn)160 X100Gb/s 2000公里的3U光傳輸基礎(chǔ)理論驗證系統(tǒng)為目標(biāo)， 圍繞光傳輸?shù)幕A(chǔ)理論展開， 以其他課題為支撐， 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

32、速光傳輸系統(tǒng)的高效化、 長距化和動態(tài)化。研究內(nèi)容：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(jìn)行論證；完成超高速光傳輸?shù)捏w系結(jié)構(gòu)設(shè)計，構(gòu)建160 X100Gb/s 2000 公里的3U光傳輸基礎(chǔ)理論驗證系統(tǒng)實驗平臺；設(shè)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。經(jīng)費比例：40%承擔(dān)單位：武漢郵電科學(xué)研究院課題負(fù)責(zé)人： 余少華學(xué)術(shù)骨干：薛道均、王之光、蔡鳴、胡安琪、章燦輝、丹亞、計世榮、曹芳、楊現(xiàn)文、王文敏、鄭彥升課題2、全光多波長自相關(guān)光源及非本振相關(guān)接收預(yù)期目標(biāo)：提出多波長超低相位噪聲全通道自相關(guān)光源的理論模型和實現(xiàn)方法；實現(xiàn)超窄帶梳狀濾波精密合波技術(shù)；研制出多波長超低相位

33、噪聲全通道自相關(guān)光源，實現(xiàn)多通道非本振相關(guān)接收， 其主要技術(shù)指標(biāo)： 自相關(guān)光源輸出歸零光脈沖的消光比： 30dB ； 160 個通道，每個通道有兩個相干子歸零波；每個通道的時鐘或pulse rate 可按設(shè)計靈活調(diào)整, 不同光通道的時鐘可以成相同或成倍數(shù)關(guān)系。研究內(nèi)容：課題設(shè)置思路：采用傳統(tǒng)光源的 DWDM 系統(tǒng)各個通道非相關(guān)，非線性相互作用非相關(guān)，導(dǎo)致非線性效應(yīng)難以抑制；非相干接收無法滿足3U 系統(tǒng)的要求，而相干接收中的本振鎖相技術(shù)復(fù)雜，難以實現(xiàn)。該課題針對上述3U 光傳輸系統(tǒng)中光源問題，圍繞其產(chǎn)生機(jī)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(guān)接收等關(guān)鍵問題， 具體研究多波長、 自

34、相關(guān)、 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(guān)雙波長傳輸過程中信號非線性損耗消除問題； 研究 相關(guān)接收過程中非本振相關(guān)的具體實現(xiàn)方法。主要研究內(nèi)容：基于多波長光源精密合波技術(shù)的全波段自相關(guān)光源的理論與方法研究；多波長超低相位噪聲光源的機(jī)理研究；超窄帶梳狀濾波精密合波技術(shù)研究；多通道自相關(guān)雙波長傳輸特性研究；非本振相關(guān)接收理論和實現(xiàn)方法研究。經(jīng)費比例： 15%承擔(dān)單位：華中科技大學(xué)課題負(fù)責(zé)人：黃本雄、嚴(yán)敏學(xué)術(shù)骨干：柯昌劍、聶明局、張帆、胡海、劉武、楊克城、豆垠、楊彩虹課題 3、高譜效率的光編碼和光調(diào)制預(yù)期目標(biāo)：提出高效編碼調(diào)制新方案， 實現(xiàn)基于 q 元 LDPC 碼的

35、編碼調(diào)制和疊加編碼調(diào)制，調(diào)制速率達(dá)到100Gb/s ；實現(xiàn)基于全光 OFDM 、 DQPSK 等先進(jìn)調(diào)制格式的單通道光傳輸；建立完整有效的超正交調(diào)制模型， 用以解決光頻譜效率和降低符號(symbol) 速率的問題；實現(xiàn)具有超高譜效率相位平滑多進(jìn)制光調(diào)制的新方法；基于映射原理與全光傅立葉變換的編解碼理論，構(gòu)建全光 OFDM 的調(diào)制、解調(diào)模型，設(shè)計并實現(xiàn)基于 PLC 的集成化調(diào)制解調(diào)器；由上述元件實現(xiàn)的全光OFDM 技術(shù)的具體指標(biāo)如下：全光OOFDM 芯片和器件：支持調(diào)制格式： NRZ 、 RZ、 CS-RZ、 DPSK、 DQPSK ；頻譜利用率優(yōu)于 2.5bit/Hz ；調(diào)制速率從10Gb/s

36、 40Gb/s 100Gb/s ；正交的子載波波長滿足ITU-TG.692 建議的 C 波段波長；輸出光功率達(dá)到0dBm ；基于 q 元 LDPC 碼的編碼調(diào)制器，調(diào)制速率達(dá)到 100Gb/s 。研究內(nèi)容：課題設(shè)置思路：為了充分利用頻率資源，有效地抵抗多階光調(diào)制中的交叉串?dāng)_，突破3U 系統(tǒng)信道容量限， 降低信道中非線性效應(yīng)的影響， 避免星座空間利用率受非線性效應(yīng)制約， 實現(xiàn)全光、 高譜效率的光發(fā)射與接收， 高效光編碼和高階光調(diào)制技術(shù)是其關(guān)鍵攻關(guān)課題。針對上述科學(xué)問題，研究100Gb/s 速率前向糾錯編碼(FEC)編碼理論，提出實用的碼字結(jié)構(gòu)方案，結(jié)合超正交光調(diào)制和全光OFDM 調(diào)制格式，實現(xiàn)具

37、有上述功能的光發(fā)射和接收。研究內(nèi)容：研究高頻譜效率的超正交光調(diào)制格式，探索具有高譜效率相位平滑多進(jìn)制、光調(diào)制解調(diào)的新方法；研究超高速FEC編碼理論及其對光信號性能的影響機(jī)制；基于量子極限探測理論和光傳輸系統(tǒng)建模方法，研究系統(tǒng)容量極限問題；研究光信道和發(fā)射接收端的準(zhǔn)線性近似、非線性預(yù)補(bǔ)償和相干接收等機(jī)理，建立光發(fā)射/ 接收的有效模型；準(zhǔn)線性調(diào)制器件與多階調(diào)制解調(diào)新方法；研究全光正交頻分復(fù)用（ OOFDM ）技術(shù)的實現(xiàn)；研究基于 PLC 的 DQPSK/ASK 、全光 OFDM 等集成化調(diào)制解調(diào)器。經(jīng)費比例：15%承擔(dān)單位：復(fù)旦大學(xué)、西安電子科技大學(xué)課題負(fù)責(zé)人： 遲楠、文愛軍學(xué)術(shù)骨干：邵宇豐、卞正

38、才、石藝尉、倪衛(wèi)明、侯群、車書玲、尚韜、賀玉成課題 4、高增益、寬帶寬、高平坦度、超低噪聲的參量放大預(yù)期目標(biāo)：實現(xiàn)高增益、大帶寬、高度平坦、帶寬和窗口均可動態(tài)配置的光參量放大器，其系統(tǒng)性能優(yōu)于現(xiàn)有水平：增益40dB ，帶寬 200nm ，增益平坦度1dB；實現(xiàn)基于FOPA 的波長無偏移、響應(yīng)時間短、對速率透明的 3R 再生；實現(xiàn)接近量子極限超低噪聲光參量放大器；實現(xiàn)基于FOPA-PSA 的相位再生與低噪聲光放大。研究內(nèi)容：課題設(shè)置思路：現(xiàn)有的光放大器無法滿足 3U 系統(tǒng)要求的高增益、寬帶寬、低噪聲指數(shù)的指標(biāo)。 本課題的設(shè)置以抑制信號劣化為目的， 圍繞光纖參量放大器的飽和增益、 增益平坦化、 帶

39、寬、 最佳光纖長度、 噪聲抑制和全光再生應(yīng)用等方面進(jìn)行深入的理論和實驗研究，實現(xiàn)高增益、大帶寬、高度平坦、帶寬和窗口均可動態(tài)配置的光參量放大器；研究相位敏感型 FOPA,實現(xiàn)相位再生和光放大；利用恢復(fù)時鐘調(diào)制的泵浦，基于 FOPA 實現(xiàn)全光多通道 3R 再生。研究內(nèi)容：接近量子極限超低噪聲光放大機(jī)理；基于相位選擇性的再生機(jī)理與光放大方法；帶寬和窗口均可動態(tài)配置參量放大器理論研究與實現(xiàn)方法；全光多通道信號3R 再生機(jī)制和方法。經(jīng)費比例：15%承擔(dān)單位： 北京郵電大學(xué)課題負(fù)責(zé)人： 張小頻、忻向軍 學(xué)術(shù)骨干：王葵如、王擁軍、張琦、趙同剛、馬健新、趙曉紅、沈樹群課題5、超高速光傳輸非線性抑制與高精度色

40、散管理預(yù)期目標(biāo)：實現(xiàn)高速光傳輸非線性機(jī)理建模， 提出有效抑制非線性的方法； 實現(xiàn)高速光傳輸復(fù)雜色散精密測量與精密補(bǔ)償管理， 主要技術(shù)指標(biāo)： 160 個通道色散管理精度小于 10ps/nm ，四階色散補(bǔ)償，精確管理通道剩余色散及斜率。研究內(nèi)容：課題設(shè)置思路：因工藝、類型、距離、時間等多維度動態(tài)變化，色散變化復(fù)雜，現(xiàn)有的色散補(bǔ)償方法殘余色散高達(dá)50ps/nm （單通道） ，難以滿足 3U 系統(tǒng)的需求。另一方面 3U 系統(tǒng)中 160 個通道間相互作用， 非線性效應(yīng)難以抑制。 本課題針對上述問題， 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(bǔ)償為目的， 圍繞非線性和色散的產(chǎn)生機(jī)理、 相互作用和轉(zhuǎn)化機(jī)制

41、， 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，對超高速光纖單信道帶內(nèi) / 多信道帶內(nèi)外的混合非線性機(jī)理建模， 并分析超高速超密集波分系統(tǒng)中色散與非線性相互作用及轉(zhuǎn)化機(jī)制， 實現(xiàn)非線性與色散的動態(tài)協(xié)同補(bǔ)償； 深入分析色度色散和偏振模色散的產(chǎn)生機(jī)理，實現(xiàn)超高速光傳輸高階（ 4 階）色散補(bǔ)償、精確色散管理理論及高精度色散的精確測量方法；基于超效編碼研究偏振模色散管理的方法。主要研究內(nèi)容：研究超高速光纖單信道帶內(nèi) / 多信道帶內(nèi)外的混合非線性機(jī)理， 研究超高速超密集波分系統(tǒng)中色散與非線性相互作用及轉(zhuǎn)化機(jī)制；研究光信號（全同步）非線性非對稱碰撞、色度色散控制及其協(xié)同管理；研究相位調(diào)制誘導(dǎo)幅度抖動的非線性作用機(jī)理及抑制方法；研究超高速光傳輸高階（ 4 階）色散機(jī)理，精確管理理論及高精度色散的精確測量方法；研究基于超效編碼補(bǔ)償偏振模色散機(jī)理與偏振模色散管理方法。經(jīng)費比例：15%承擔(dān)單位：華中科技大學(xué)課題負(fù)責(zé)人： 曹祥東學(xué)術(shù)骨干：李蔚、劉海榮、徐爭光、崔晟、王懌、劉小英、殷蔚華、徐書華四、年度計劃年度計劃內(nèi)容和目標(biāo)第年圍繞三個關(guān)鍵科學(xué)問題展開基礎(chǔ)理論研究，制定出詳細(xì)的項目實施 方案，各課題