【基金】2010CB328300-超高速超大容量超长距离光传输基础研究

项目名称：超高速超大容量超长距离光传输基础研究首席科学家：余少华 武汉邮电科学研究院起止年限：2010年1月-2014年8月依托部门：湖北省科技厅一、研究内容2.1 关键科学问题本项目立足于开拓光纤通信发展的新思路，系统科学地研究超高速光传输基础理论，探索超高速光传输系统特有的内在基本规律，以实现光谱利用高效化、传输距离超长化、网络干线高速化、信号管理动态化为目标，创建3U光传输的理论、方法和技术体系。针对上述目标及国家信息基础设施的需求，本项目围绕下列三个关键科学问题对超高速光传输系统的理论与实现方法展开研究。科学问题一：高谱效率的途径、机理与容量限问题信息论及数字通信时代的奠基人克劳德.香农在1948年率先提出了通信信道能够传输的信息容量问题。一般用香农理论来分析光纤信道都做了很大近似，需要假设信道具有较弱的非线性效应、低色散和传输速率限制。由于这些研究中没有考虑调制方式、象限阵阶数和非线性补偿问题，使得该理论模型具有较大缺陷。因此如何基于香农理论建立先进光通信系统的完整模型（用于研究高频谱利用率、多极性振幅和相位调制、高速准线性传输、发射机预失真反向补偿非线性效应和相干接收等前沿技术），是亟需解决的关键科学理论问题之一。此外，要达到接近香农极限的信号传输效率,需要超强的编码。奈奎斯特（Nyquist）定理描述了信号数据率与带宽之间的关系，当数据信号为二进制时每赫兹带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒2个码元，当数据信号为M进制时，奈奎斯特定理决定的信道容量为C=2Blog2M，因此提高数据进制可以提高系统的容量。复杂的线路编码既可以增加信道容量，也可以用于信道纠错，但是线路编码也增加了接收机判决的复杂度。因此如何在多电平编码情况下实现接收机多电平软判决也是本问题需要研究的重要内容。本科学问题在香农理论的基础上建立适应光纤传输信道和发射接收系统的准线性近似、非线性预补偿和相干接收的完整模型。该理论模型的建立，将拓展香农理论在光信息领域的应用，解决高速光通信系统与香农定理的偏离问题，为未来光通信系统容量确立新的规则，具有重大的理论和实用意义。并且在该模型的基础上，探讨提高3U频谱效率的途径及其机制，以期较大程度的提高现有通信系统的频谱利用率，使之接近香农极限，为最大限度的提升3U系统容量服务。科学问题二：复杂光纤色散与多阶均衡问题研究复杂的光纤色散机理及多阶色散均衡问题对超高速光通信传输系统具有十分重大的意义，它能够优化先进调制格式，降低对超高速DSP的要求，简化超高速光信号的接收和处理,全面控制或消除光纤系统的色散影响，使光接收机能够直接在低速光电通道接收处理信号，充分利用现有成熟技术实现高频谱效率。超高速光传输系统的色散管理具有其独特的要求，需要对光纤色散的复杂变化进行深入研究，对色散的多种变化建立模型，并能够以此为基础建立有效的超高精度全波段的多阶补偿机制。本科学问题涵盖超高精度色散管理的两个核心部分：(1)高精度色散在线精确测量：利用复杂色散模型和信息处理算法能够实现对色散的检测；(2)色散及色散斜率独立可调：高精度色散管理分为静态可调和动态可调两部分，分别应用于光纤传输线路和接收端，具有不同的色散要求。独立的色散及色散斜率调整能够对所有光通道进行多阶精确色散控制和均衡。这两个核心内容结合在一起，构成了光纤色散的基础理论框架，解决了高阶色散补偿问题，形成由一阶色散补偿向多阶色散均衡的飞跃。科学问题三：3U光纤非线性动态协同适变性问题色散和非线性动态协同的适变性是3U光纤通讯系统的核心问题之一。和单纤速率为10Gbit/s和40Gbit/s的传统光通信系统相比，3U系统的数据信息带宽较宽，非线性作用的影响性质不同，不同调制格式的频谱也不同，使得光传输的非线性影响是前者的数十倍。对光传输有重要作用的非线性效应有：受激布里渊散射(SBS)，受激拉曼散射(SRS)，自相位调制(SPM)，交叉相位调制(XPM)，四波混频(FWM)等。其中SPM、XPM、FWM源于同一个非线性机制(Kerr效应)，具有响应带宽远大于DWDM系统所有波长总带宽、能和光纤色散相互作用的复杂特性，成为影响光系统传输的主要非线性来源。超高速光传输系统的非线性具有带内、带外多种非线性因素的复杂相互作用的特征。在传统光传输中，非线性效应是以统计形式表现出来的，光通道内部不同数据码串有不同的非线性统计变化。源于通道之间相互作用的非线性呈现类白噪声的统计特征，变化十分复杂，目前没有很有效的抑制方法。本科学问题以高精度色散管理技术为基础，重点研究和揭示多种非线性效应相互作用的机理及规律；结合全光通道统一归零码光源的特性，消除了非线性的统计变化，利用精确的数据比特光程差控制，提出了一个全新的非线性抑制和管理的机理和方法；研究3U系统下的色散和非线性动态协同的适变性；实现3U全波段光纤通道准线性传输。这种方法能够对每个光比特信号的相对时间位置精确管理，还能充分利用全光信号处理技术对所有光通道信号波型进行再生处理，在消除非线性效应的同时，对其他传输信号失真（比如PMD）也进行了纠正补偿。2.2 主要研究内容围绕上述的三个关键科学问题，本项目针对以下五项内容展开研究。1. 160100Gb/s 2000公里的3U光传输基础理论验证系统完成超高速光传输的理论论证，建立科学的理论依据，研究实现超高速光通信系统的关键技术，确定实现途径及方案，指导其他课题按照正确的思路去解决问题；建立超高速光传输系统的理论模型，以仿真系统和实验演示系统为综合实验平台，研究理论模型的可行性，对接近香农极限的规律性进行研究；完成超高速光传输的体系结构设计，设计并优化验证系统方案，完成160100Gb/s 2000公里的3U光传输基础理论验证系统。2. 全光多波长自相关光源的产生及非本振相关接收理论与实现全光多波长、自相关、超低相位噪声光源及其非本振相关接收理论；提高相干接收灵敏度和频谱效率的高相干性种子光源；超窄带梳状滤波及精密合波技术；基于自相关探测的双波长传输特性；单信道双波长传输的非线性串扰消除。3. 基于先进调制格式及编码方式的全光、高谱效率的光发射/接收理论与实现系统容量极限理论；光信道和发射接收端的准线性近似、非线性预补偿和相干接收等机理；基于有限几何或投影几何构建高效前向纠错码(FEC)理论及其对光信号性能的影响机制；光发射/接收的有效模型；高频谱效率的超正交光调制格式；具有高谱效率相位平滑多进制、光调制解调的新方法；全光正交频分复用（全光OFDM）理论与技术；基于平面光波导（PLC）的差分正交相移键控/幅移键控（DQPSK/ASK）、全光OFDM等集成化调制解调器。4. 高增益、宽带宽、高平坦度、超低噪声的参量放大理论与实现接近量子极限超低噪声的光放大机理及相应的实现方案；基于相位选择性的再生机理与光放大方法；带宽和窗口均可动态配置参量放大器理论研究与实现方法；全光多通道信号3R再生机制和方法。5. 超高速传输系统中高精度多阶色散管理及信号非线性损伤的抑制理论与实现超高速光传输高阶（4阶）色散机理，色散精确管理、多阶均衡理论及高精度色散的精确测量理论；基于高效编码克服偏振模色散机理与偏振模色散管理方法；超高速光纤单信道带内/多信道带内外的混合非线性机理和非线性协同适变性问题；超高速超密集波分系统中色散与非线性相互作用及转化机制的模型；光信号(全同步)非线性非对称碰撞、色度色散控制及其动态协同管理机制；相位调制诱导幅度抖动的非线性作用机理及抑制方法。二、预期目标3.1 总体目标本项目的总体目标是：以国家信息基础设施建设的战略需求为牵引，以解决超高速光传输的先进格式调制、精密色散管理和非线性抑制方法问题为核心，研究超高速光传输的基础理论与方法，实现从传统非相关通信模式到新型相关通信模式的转变；以网络干线高速化、传输距离超长化、光谱利用高效化、信号管理动态化为目标，提出一整套超高速光传输的机理与模式，实现基础理论上的突破、关键技术上的创新，使我国在相关领域的研究成果进入国际领先行列。与此同时，在基础研究成果与相关产业发展的结合方面形成研究特色，在理论研究的基础上，搭建出一套160100Gb/s 2000公里的3U光传输基础理论验证系统；培养和建立一支学术水平高、创新能力强的科研队伍，为我国在未来十年内建立新型国家信息基础设施打下坚实的基础，为我国信息产业的发展提供核心技术的支持。3.2 五年预期目标通过五年的研究工作，本项目预期成果为：1.本项目理论成果：（1）揭示超高速光编码调制的谱效率极限规律 建立基于先进调制格式和编码的相关通信理论分析模型； 揭示香农定理在超高速光通信中的普适性规律，解决传统光通信系统与香农定理的偏离问题； 提出高频谱效率的超正交光调制格式和光信道编码方法； 提出3U系统高谱效率光编码调制基础理论和方法。（2）建立超高速光传输精确色散管理机制 揭示超高速光传输高阶（4阶）色散机理，提出精确管理理论及高精度色散的精确测量方法； 提出光信号(全同步)非线性非对称碰撞、色度色散控制及其精确管理的方法； 提出3U光传输复杂光纤色散与多阶均衡理论，实现3U全波段、精确色散管理基础理论和方法的突破。（3）提出全波段非线性抑制和色散的动态协同理论 揭示相位调制诱导幅度抖动的非线性作用机理，并提出抑制方法； 提出超高速光纤单信道带内/多信道带内外的混合非线性作用模型； 构建超高速超密集波分系统中色散与非线性相互作用及动态协同理论； 提出全波段非线性抑制及其动态协同理论，实现全波段准线性传输。（4）建立全光多波长自相关光源及非本振相关接收理论和方法 提出光载波同源自相关、各光通道全同步和宽带高相干性种子光源机制，在3U光传输相关发射与接收理论和方法上取得突破。（5）建立超高速光传输系统的理论模型 提出多波长超低相位噪声全通道自相关光源的理论模型； 给出基于有限几何或投影几何构造高效率FEC编码理论； 给出多通道自相关双波长传输特性； 揭示接近量子噪声极限、相位选择性、动态配置参量光放大机理； 建立光信道和发射接收端的准线性近似、非线性预补偿和非本振相关接收理论模型。2.在国内外核心刊物及重要会议上发表论文200篇以上（包括OFC、ECOC、LEOS等高水平的国际会议和PTL、JLT、OE、OL等重要国际刊物），其中SCI收录论文100篇以上。3.提交ITU-T国际标准建议文稿5篇，申请发明专利35项以上，含基础专利申请5项。4.理论成果验证：完成3U光传输验证系统，主要技术指标如下：（1）单波速率100Gb/s；（2）总波长数160波；（3）系统传输距离2000km；（4）谱效率160波优于2.5bit/s/Hz；（5）编码增益10dB；（6）160 个通道频谱范围内的残余色散小于10ps/nm。5.培养国家级和省部级优秀学术带头人6人以上；培养博士生40名以上，硕士生80名以上。三、研究方案4.1 学术思路本项目旨在系统地研究超高速光通信系统的基础理论与实现方法，学术思路体现如下所述：以我国当前的通信网络现状和发展趋势为背景，以实现未来光纤通信网络的高速、高性能、高谱效率、大容量和长距离多通道传输为目标，研究基础性的科学问题，包括多波长自相关光源产生机理、全光信号处理的理论、非线性损伤的抑制、超高精度色散管理等，建立160100Gb/s 2000公里的3U光传输基础理论验证系统，研究实现超高速光通信系统的关键技术，确定实现途径及方案。以仿真系统和实验演示系统为综合实验平台，研究理论模型的可行性、优化系统实现方案。遵循上述学术思路，采取理论与实验相结合的研究方法，对相关的五个课题内容展开研究，创建完整的超高速传输系统模型，推动超高速传输基础研究的不断深入，提供具有国际先进水平的超高速光通信研究成果，力争数年内为我国信息基础设施建设提供强有力的支持。4.2 技术路线1. 构建一种调制格式透明的160100Gb/s超长距离光通信平台。该系统应用全波长自相关光源,采用异地相关光源传送模式，实现具有FEC的新型高速调制信号的超长距离传输，采用相位敏感型参量放大器与超高精度色散管理克服光纤中的色散、损耗、多种非线性效应等影响。2. 研究“非本振相关传输与接收”创新理论与方法，主要针对大容量信息传输系统，在发送端利用超连续谱与超密集波分复用技术产生全通道自相关双波长光源，其中一路波长用于承载信号，另一路波长用于远端非本振相关接收。非本振相关接收既具有相干光通信的超强能力，又不需要苛刻的本振相干接收光源。3. 采取理论与实验相结合的方法研究高速光调制、编码中的深层科学问题。基于映射原理的全光OFDM理论与全光傅立叶变换编解码理论，构建全光OFDM调制、解调模型，并在光域实现一定的逻辑操作（如添加循环前缀）；根据光纤中光场的分布特性，构造出一种在光的偏振、相位、频率、幅度上同时加载信息的新型超正交信号模型（如Pol-DQPSK/ASK）；研究微光学集成以及空间傅立叶光学和光纤波导光学的相似性和一致性，在平面光波导（PLC）上实现DQPSK/ASK、全光OFDM等集成化的调制解调器。采用光域纠错码减缓正交信号不同维度信息间的互扰，降低系统对激光器线宽的要求，提升系统的性能。4. 从量子理论出发深入研究FOPA产生的机理，研究三阶参量过程中相位匹配的原理和要求，为高增益、宽带宽、高平坦度、超低噪声的参量放大技术及其实现提供坚实的理论基础。从光场热振幅及波动理论出发，研究FOPA中噪声产生的机理，进而研究相位敏感的光参量增益放大对噪声的抑制机理，提出接近量子极限超低噪声FOPA的实现方案。根据微结构材料结构参数、材料的热物理参数与拉制工艺参数之间的动态关系，建立拉制微结构光纤所需要的理论模型，研究、设计基于硫化物玻璃或者二氧化硅的新型微结构光纤，实现性能优异的光参量增益放大。5. 深入研究高速光传输单通道超高速光纤信道带内组合与带内外混合非线性机理，揭示超高速光传输系统中非线性在频谱带宽、光信号波型、相位噪声等方面与传统光传输系统不同的特性。建立群速度色散和偏振模色散与材料折射率、光纤结构、环境变化等因素相对应的完整理论模型，全面评估信息传递过程中色散参量与各限制因素的动态交互情况，实现非线性与色散的协同管理。深入探讨光克尔效应对PMD抑制的物理机制，采用孤子控制技术和色散管理孤子技术及纠错码技术来进行色散的全阶补偿，有效提高传输系统的PMD容限。基于本项目创新性研制的多波长超低相位噪声全通道自相关光源中所提取的归零时钟信号实现在线色散和PMD监测。4.3 主要创新点与特色本项目主攻具有国际影响力的基础研究热点和难点，着重解决发展光通信的瓶颈问题，5年后力争在理论研究取得原创性成果和核心知识产权。力争在全光多波长自相关光源和非本振相关接收基础理论、复杂光纤色散与多阶均衡基础理论等取得重大突破。本项目的创新点将表现在以下几个方面：1. 3U系统高谱效率光编码调制基础理论和方法。针对光传输的谱效率偏低（0.8bit/s/Hz）的问题，本项目提出高谱效率、光调制解调基础理论和新方法（包括建立准线性调制机理与多阶调制解调新模型，提出基于空间光学全光傅立叶变换的编解码理论；利用有限几何和均衡不完全区组设计，构造低复杂度的高速译码算法编码调制新机制），通过3U验证系统验证，预计谱效率可提高到优于2.5bit/s/Hz的水平（提高2倍以上）；并为需要高谱效率的其他光网络（如光交换网络）奠定理论基础和提供实现方法。2. 3U光传输复杂光纤色散与多阶均衡理论。针对复杂的光纤色散制约了3U传输速率和传输距离、导致3U光传输难以实现的问题，本项目构建复杂色散模型和信息处理算法，提出对所有光通道进行多阶精确色散控制和均衡理论及其实现方法（包括提出光纤色散的基础理论框架，解决复杂色散多阶均衡问题），通过3U验证系统验证，实现3U全波段、高阶精确色散管理基础理论和方法的突破。3. 3U光传输全波段非线性抑制和色散的动态协同理论。针对3U系统的非线性影响是10G系统的数十倍、导致3U光传输难以实现的问题，本项目建立非线性、色度色散控制及其协同管理的理论和方法（包括揭示精确数据比特光程差控制机制，提出全新的非线性抑制协同机理和方法），通过3U验证系统验证，实现3U全波段光纤通道准线性传输（改进3dB，传输距离增加一倍）；为非线性问题向准线性过渡提供相关研究思路及方法。4. 3U光传输全相干发射与接收理论。针对现有DWDM各个通道非相关和非线性相互作用非相关等特征，导致非线性效应难以抑制等问题，本项目基于光载波同源自相关和各光通道全同步模型，提出宽带高相干性种子光源机制。针对非相干接收无法满足3U光传输要求、相干接收本振(LO)锁相技术过于复杂，难以实现（比如光载波频率为百THz量级）的难题，本项目建立随路双波长传输、远端非本振相关接收理论，通过3U验证系统验证，实现3U光传输全相干发射与接收基础理论和方法的突破；对全光信息处理有重要借鉴意义。5. 3U光传输系统体系架构和实现方法。本项目在全相关种子光源，自相关接收，多阶色散均衡和非线性协同适变等创新的基础上，建立3U光传输的体系架构，有效解决现有密集波分复用系统中难以克服的高谱效率、多阶色散和非线性等难题，实现160100Gb/s 2000公里的3U光传输基础理论验证系统，完成对以上主要创新理论和方法的验证。本项目的特色将表现在以下几个方面：1. 着重解决光通信发展的瓶颈问题和重大基础理论问题。2. 主攻方向上形成具有国际影响力的源头创新成果和知识产权，符合国家信息基础设施的战略需求。5年后力争在理论研究方面取得原创性成果和核心知识产权。3. 由转制院所（央企）牵头，探求以企业为主体的产学研用相结合的创新模式，为课题成果的发展应用提供快速和有效途径。4. 实现160100Gb/s 2000公里的3U光传输基础理论验证系统，完成对以上主要创新理论的验证，为理论研究成果转化为现实生产力提供有力支撑。5. 汇集一批创新型归国优秀人才。4.4 可行性分析1. 研究需求迫切。信息量的爆炸性持续增长使得未来光纤通信网络对传输速率、频谱效率、动态可重构性等方面需求日益迫切。采用具有频谱利用率高、色散容忍度高、系统兼容性强的以太网新型相关通信是构筑100Gb/s新一代超高速光通信网络最有前景的技术。2. 研究目标明确。本项目设定的研究目标源于对光纤通信网络发展演变的深刻认识，依据新型100Gb/s光传输系统的相关模式和机理，建立超高速光传输系统的理论、方法和技术体系，提出关键技术方案，实现光纤通信网络光谱利用高效化、传输距离超长化、网络干线高速化、信号管理动态化的目标。3. 研究思路清晰。本项目以国家信息基础设施建设的战略需求为牵引，紧密围绕三个关键科学问题和五项研究内容，在160100Gb/s长距离光传输系统架构与实验验证、自相关光源、光发射/接收理论、参量放大、精密色散管理和非线性抑制方法等方面开展研究工作，建立160100Gb/s 2000公里的3U光传输基础理论验证系统，奠定我国在高速、高谱效率、大容量光纤通信系统的良好理论基础，研究思路明确清晰。4. 研究基础雄厚。项目申请单位在光通信相关领域具有很好的研究基础，取得了一系列研究成果，积累了丰富的研究经验；完成和承担了国家自然科学基金重大研究计划、国家自然科学基金重点项目、863重点项目、教育部重大专项等一批重要项目，取得了丰硕的研究结果，具备完成本项目研究的基础和能力。5. 研究条件具备。本项目的主要承担单位均是国内知名的高水平大学和研究机构，共拥有1个国家实验室和多个国家、教育部重点实验室及国家级重点学科，各承担单位都具有先进的仪器设备和良好的实验环境，具备建立160100Gb/s 2000公里的3U光传输基础理论验证系统的基础条件。6. 研究队伍优秀。本课题由青年科学家担任首席科学家，学术骨干由多位在国内外具有相当研究实力的中青年专家和一批具有博士学位的青年学者组成，整个研究队伍年龄结构合理、学术水平高。4.5 课题设置各课题间相互关系本项目的课题设置将围绕项目的总体目标，针对三个关键科学问题和五项重点研究内容，结合参加研究单位的优势与特点，进行有机分解，各个课题分工明确，既具有独立性，又相辅相成、互相支撑，共同推进项目的进展。本项目具体分解为以下五个课题:（1）160100Gbit/s超长距离光传输的理论和实验验证；（2）全光多波长自相关光源及非本振相关接收；（3）高谱效率的光编码和光调制；（4）高增益、宽带宽、高平坦度、超低噪声的参量放大；（5）超高速光传输非线性抑制与高精度色散管理。每个课题设1名课题负责人，协助项目首席科学家进行课题的管理和各课题间及课题参加单位间的协调。各课题分别设定其主攻方向，但相辅相成，通过共同攻关，实现项目的总体目标。其中，课题1和课题2解决高速光传输系统结构与统一光源的问题，是后续研究课题的基础；课题3-5分别解决系统高谱效率、全光信息处理、高精度色散管理、非线性效应和损耗抑制问题；课题25的研究成果又为课题1开展超高速光传输验证系统研究奠定理论与技术基础。课题间的关系如图1所示。图1 课题设置关系课题1、160100Gbit/s超长距离光传输的理论和实验验证预期目标： 建立基于先进调制格式和编码的相关通信理论分析模型； 揭示香农定理在超高速光通信中的普适性规律，解决传统光通信系统与香农定理的容量限和规律性问题； 设计超高速光传输的体系结构，提出解决关键技术问题的思路； 完成一套160100Gb/s的超高速光传输系统，完成2000km的实验传输验证。研究内容：课题设置思路：该课题的设置以实现160100Gb/s 2000公里的3U光传输基础理论验证系统为目标，围绕光传输的基础理论展开，以其他课题为支撑，研究超高速光传输系统所需的理论模型和方法，实现超高速光传输系统的高效化、长距化和动态化。研究内容： 建立超高速光传输系统的理论模型，对3U系统信道容量限进行论证； 完成超高速光传输的体系结构设计，构建160100Gb/s 2000公里的3U光传输基础理论验证系统实验平台； 设计并验证系统方案，检验超高速光传输演示系统的性能。经费比例：40%承担单位：武汉邮电科学研究院课题负责人：余少华学术骨干：薛道均、王之光、蔡鸣、胡安琪、章灿辉、丹亚、计世荣、曹芳、杨现文、王文敏、郑彦升课题2、全光多波长自相关光源及非本振相关接收预期目标： 提出多波长超低相位噪声全通道自相关光源的理论模型和实现方法； 实现超窄带梳状滤波精密合波技术； 研制出多波长超低相位噪声全通道自相关光源，实现多通道非本振相关接收，其主要技术指标：自相关光源输出归零光脉冲的消光比：30dB；160个通道，每个通道有两个相干子归零波；每个通道的时钟或pulse rate可按设计灵活调整, 不同光通道的时钟可以成相同或成倍数关系。研究内容：课题设置思路： 采用传统光源的DWDM系统各个通道非相关，非线性相互作用非相关，导致非线性效应难以抑制；非相干接收无法满足3U系统的要求，而相干接收中的本振锁相技术复杂，难以实现。该课题针对上述3U光传输系统中光源问题，围绕其产生机理及实现方法、所产生相干信号在系统中传输及非本振相关接收等关键问题，具体研究多波长、自相关、相位噪声超低的信号产生及精密合波理论和实现方法；研究多通道自相关双波长传输过程中信号非线性损耗消除问题；研究相关接收过程中非本振相关的具体实现方法。主要研究内容： 基于多波长光源精密合波技术的全波段自相关光源的理论与方法研究； 多波长超低相位噪声光源的机理研究； 超窄带梳状滤波精密合波技术研究； 多通道自相关双波长传输特性研究； 非本振相关接收理论和实现方法研究。经费比例：15%承担单位：华中科技大学课题负责人：黄本雄、严敏学术骨干：柯昌剑、聂明局、张帆、胡海、刘武、杨克城、夏珉、杨彩虹课题3、高谱效率的光编码和光调制预期目标： 提出高效编码调制新方案，实现基于q元LDPC码的编码调制和叠加编码调制，调制速率达到100Gb/s； 实现基于全光OFDM、DQPSK等先进调制格式的单通道光传输； 建立完整有效的超正交调制模型，用以解决光频谱效率和降低符号(symbol)速率的问题； 实现具有超高谱效率相位平滑多进制光调制的新方法； 基于映射原理与全光傅立叶变换的编解码理论，构建全光OFDM的调制、解调模型，设计并实现基于PLC的集成化调制解调器； 由上述元件实现的全光OFDM技术的具体指标如下：全光OOFDM芯片和器件：支持调制格式：NRZ、RZ、CS-RZ、DPSK、DQPSK；频谱利用率优于2.5bit/Hz；调制速率从10Gb/s40Gb/s100Gb/s；正交的子载波波长满足ITU-TG.692建议的C波段波长；输出光功率达到0dBm；基于q元LDPC码的编码调制器，调制速率达到100Gb/s。研究内容：课题设置思路：为了充分利用频率资源，有效地抵抗多阶光调制中的交叉串扰，突破3U系统信道容量限，降低信道中非线性效应的影响，避免星座空间利用率受非线性效应制约，实现全光、高谱效率的光发射与接收，高效光编码和高阶光调制技术是其关键攻关课题。针对上述科学问题，研究100Gb/s速率前向纠错编码（FEC）编码理论，提出实用的码字结构方案，结合超正交光调制和全光OFDM调制格式，实现具有上述功能的光发射和接收。研究内容： 研究高频谱效率的超正交光调制格式，探索具有高谱效率相位平滑多进制、光调制解调的新方法； 研究超高速FEC编码理论及其对光信号性能的影响机制； 基于量子极限探测理论和光传输系统建模方法，研究系统容量极限问题； 研究光信道和发射接收端的准线性近似、非线性预补偿和相干接收等机理，建立光发射/接收的有效模型； 准线性调制器件与多阶调制解调新方法； 研究全光正交频分复用（OOFDM）技术的实现； 研究基于PLC的DQPSK/ASK、全光OFDM等集成化调制解调器。经费比例：15%承担单位：复旦大学、西安电子科技大学课题负责人：迟楠、文爱军学术骨干：邵宇丰、卞正才、石艺尉、倪卫明、侯群、车书玲、尚韬、贺玉成课题4、高增益、宽带宽、高平坦度、超低噪声的参量放大预期目标： 实现高增益、大带宽、高度平坦、带宽和窗口均可动态配置的光参量放大器，其系统性能优于现有水平：增益40dB，带宽200nm，增益平坦度1dB； 实现基于FOPA的波长无偏移、响应时间短、对速率透明的3R再生； 实现接近量子极限超低噪声光参量放大器； 实现基于FOPA-PSA的相位再生与低噪声光放大。研究内容：课题设置思路：现有的光放大器无法满足3U系统要求的高增益、宽带宽、低噪声指数的指标。本课题的设置以抑制信号劣化为目的，围绕光纤参量放大器的饱和增益、增益平坦化、带宽、最佳光纤长度、噪声抑制和全光再生应用等方面进行深入的理论和实验研究，实现高增益、大带宽、高度平坦、带宽和窗口均可动态配置的光参量放大器；研究相位敏感型FOPA，实现相位再生和光放大；利用恢复时钟调制的泵浦，基于FOPA实现全光多通道3R再生。研究内容： 接近量子极限超低噪声光放大机理； 基于相位选择性的再生机理与光放大方法； 带宽和窗口均可动态配置参量放大器理论研究与实现方法； 全光多通道信号3R再生机制和方法。经费比例：15%承担单位：北京邮电大学课题负责人：张小频、忻向军学术骨干：王葵如、王拥军、张琦、赵同刚、马健新、赵晓红、沈树群课题5、超高速光传输非线性抑制与高精度色散管理预期目标：实现高速光传输非线性机理建模，提出有效抑制非线性的方法；实现高速光传输复杂色散精密测量与精密补偿管理，主要技术指标：160个通道色散管理精度小于10ps/nm，四阶色散补偿，精确管理通道剩余色散及斜率。研究内容：课题设置思路：因工艺、类型、距离、时间等多维度动态变化，色散变化复杂，现有的色散补偿方法残余色散高达50ps/nm（单通道），难以满足3U系统的需求。另一方面3U系统中160个通道间相互作用，非线性效应难以抑制。本课题针对上述问题，以实现信号传输过程中非线性和色散的协同动态补偿为目的，围绕非线性和色散的产生机理、相互作用和转化机制，研究在超高速光传输系统中非线性影响与传统光传输系统的不同特性，对超高速光纤单信道带内/多信道带内外的混合非线性机理建模，并分析超高速超密集波分系统中色散与非线性相互作用及转化机制，实现非线性与色散的动态协同补偿；深入分析色度色散和偏振模色散的产生机理，实现超高速光传输高阶（4阶）色散补偿、精确色散管理理论及高精度色散的精确测量方法；基于超效编码研究偏振模色散管理的方法。主要研究内容： 研究超高速光纤单信道带内/多信道带内外的混合非线性机理，研究超高速超密集波分系统中色散与非线性相互作用及转化机制； 研究光信号(全同步)非线性非对称碰撞、色度色散控制及其协同管理； 研究相位调制诱导幅度抖动的非线性作用机理及抑制方法； 研究超高速光传输高阶（4阶）色散机理，精确管理理论及高精度色散的精确测量方法； 研究基于超效编码补偿偏振模色散机理与偏振模色散管理方法。经费比例：15%承担单位：华中科技大学课题负责人：曹祥东学术骨干：李蔚、刘海荣、徐争光、崔晟、王怿、刘小英、殷蔚华、徐书华四、年度计划年度计划内容和目标第一年 围绕三个关键科学问题展开基础理论研究，制定出详细的项目实施方案