论文摘要
互联网应用的普及与多媒体业务的增加导致通信网络对传输带宽的需求迅速增长。为满足巨大的带宽需求,光通信骨干网将采用相干光通信方式,使用相干光探测结合数字信号处理（DSP）技术,实现高速、大容量的信息传输。DsP技术在其中完成信号均衡功能发挥了至关重要的作用,论文对高速相干光通信系统中DSP算法及其性能进行了研究,重点为光纤非线性补偿技术与高阶正交幅度调制（QAM）信号的载波相位恢复技术。另一方面,光学波形产生在高速光通信、光纤与无线融合等领域具有重要的应用价值,论文在这方面做了如下两项研究工作：第一,超宽带无线信号的光学产生;第二,平坦光学梳状谱的产生以及利用梳状谱实现波形产生。论文的创新工作主要为以下三方面内容。一、下一代商用单信道100Gb/s偏振复用正交相移键控（PDM-QPSK）相干光通信系统能够很好的补偿光信号在传输中的线性损伤,对光纤非线性损伤进行补偿是进一步提高系统性能的关键因素。为此,论文对相干光通信中光纤非线性补偿技术做了深入研究,主要的创新工作为：1)提出将基于导频的非线性补偿算法用于链路中使用色散补偿的WDM系统的方案。与数字后向传输（DBP）算法用于信道内非线性效应补偿相比,基于导频的方法能够同时补偿信道内与信道间非线性效应。论文通过单信道112Gb/s PDM-QPSK系统仿真证明,在链路使用色散补偿的WDM系统中,导频方法的非线性补偿性能优于DBP：系统传输距离为4000km时,使用导频方法比DBP具有近1dB的系统Q值优势；一定误码率下系统最大传输距离在使用导频方法时比使用DBP算法增加了7%。由于早期铺设的光纤链路通常使用色散补偿,而且在系统升级扩容时为降低成本通常仅对发射与接收机进行升级,因此基于导频的非线性补偿方法在提高色散补偿的WDM系统性能以及降低系统升级成本方面具有重要的应用价值。2)提出使用偏移QPSK（OQPSK）与最小频移键控（MSK）调制格式的抗非线性传输系统方案。与单信道100Gb/s系统使用的QPSK格式相比,MSK与OQPSK信号强度起伏更小,光纤非线性损伤减小因而具有更好的非线性容忍程度。通过单信道112Gb/s偏振复用系统的仿真研究证明：在光纤非线性容忍度方面,MSK格式优于OQPSK格式,OQPSK格式优于QPSK格式；在WDM系统中使用MSK格式代替QPSK格式,最大传输距离可以扩大14.8%。当使用DBP算法进行信道内非线性效应补偿时,三种调制格式的系统性能均得到提高,仍以MSK格式系统性能最佳。二、高阶QAM信号载波相位恢复是实现单信道400Gb/s或1Tb/s传输系统的关键技术之一,论文探索了计算复杂度低并且相位噪声容忍度高的QAM载波相位恢复算法,主要创新工作如下：1)提出了一种结合QPSK分割算法与多级最大似然估计（ML）算法的高阶QAM载波相位恢复算法。通过16-QAM与64-QAM系统的仿真研究证明,这种算法对激光器相位噪声的容忍程度明显优于现有QPSK分割算法,并与盲相位搜索（BPS）算法的相位噪声容忍度相近,但计算复杂度远低于BPS算法：在16-QAM与64-QAM系统中,此方法的计算复杂度分别低于BPS算法复杂度的1/4与1/6。2)提出了一种改进的导频方法实现QAM信号载波相位恢复,这种方法采用平均运算消除了放大自发辐射（ASE）噪声对提取出导频信息的影响,从而提高了导频方法对相位噪声的估计精度。仿真结果证明此改进方法明显提高了原有导频方法对相位噪声的容忍程度：使16-QAM与64-QAM系统对激光器线宽的容忍度分别提升为原来的6倍与4倍。在此基础上,论文提出使用改进的导频方法结合ML算法,使16-QAM与64-QAM系统对激光器线宽的容忍度进一步提高了大约一倍。三、论文在光学波形产生技术方面的创新工作为：1)提出并通过实验验证了两种超宽带信号的光学产生方案。第一,基于相位调制结合延时干涉实现的超宽带信号发射机方案,与现有方案相比其优点为：采用非归零（NRZ）基带电信号作为输入,能够同时实现脉冲超宽带信号的产生以及强度或极性调制。第二,基于高非线性光子晶体光纤中四波混频效应实现多路脉冲超宽带信号与多路毫米波超宽带信号同时产生。此技术是国际上首次提出的多路并且不同频带超宽带信号同时产生的方案,将在光载超宽带系统中采用WDM技术传输多路信号时发挥重要的应用价值。2)提出并实现了基于电吸收调制器（EAM）与两个级联相位调制器（PM）产生平坦光学梳状谱的方案。此方案产生的梳状谱在载波附近不平坦度仅为0.9dB,与已有利用马赫曾德尔调制器（MZM）结合PM方案产生梳状谱具有4dB不平坦度相比,其光谱平坦程度明显提升。利用得到的光学梳状谱,论文提出基于外差混频与基于傅里叶变换的光学波形产生方案,并通过实验对这两种波形产生方案进行了验证,成功产生了的高重复频率（160GHz与320GHz）的余弦光脉冲,光脉冲突发包,以及重复频率为40GHz的方波、三角波与抛物线形状的光脉冲。