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近年来,随着云计算,3D影视,共享经济,虚拟现实等新网络应用的出现,光纤通信系统传输容量面临不断扩容的压力。然而,由于放大器增益带宽和光纤低损耗传输窗口的限制,光纤通信系统频带资源有限。因此,研究高频谱效率光传输技术对满足未来传输容量增长需求具有重大的意义。基于高阶调制格式和频谱整形技术的超信道传输技术可实现频谱效率的大幅提升,但密集波分复用技术将引入载波间串扰(ICI),也会导致严重的非线性传输损伤。由于高阶调制格式的非线性容忍度非常低,导致传输距离变短。因此,本论文致力于提高超信道光传输频谱效率的同时,系统研究超信道光传输中非线性损伤补偿技术,以极低计算复杂度的非线性补偿算法,延长超信道光传输系统的传输距离,提升系统传输容量。论文以国家863项目和国家自然科学基金项目为依托,围绕超信道光传输的频谱效率提升和非线性传输损伤补偿开展研究,主要研究内容和取得的创新性成果如下:(1)提出了一种基于ICI抑制的超信道传输方案,利用4×4直接判决最小均方(DD-LMS)的多输入多输出(MIMO)算法,补偿PDM-m-PSK和PDM-m-QAM超信道内子载波频谱严重混叠带来的传输损伤,并同时完成偏振解复用和信道均衡。由于创新性地将子载波频谱搬移和频偏补偿移入到DD-LMS反馈循环中,MIMO算法可实现双子载波信号同时输出,并且对频偏,相位噪声和偏振模色散具有高容忍度。在背靠背(BTB)传输实验条件下,MIMO算法对ICI的抑制带来了8.3-dB的光信噪比(OSNR)提升。经过传输实验验证,3路2×10-GBd PDM-16QAM双载波超信道在标准单模光纤上传输了640-km,其误码率低于硬判决前向纠错码(HD-FEC)门限,实现了6.0-b/s/Hz的净频谱效率。(2)提出了一种全新的M&M算法,基于此算法首次完成了PDM-16QAM超Nyquist(FTN)传输实验,刷新了PDM-16QAM在单模光纤传输中的频谱效率纪录。M&M算法通过将双二进制整形,最大似然序列检测(MLSD)算法和MIMO信号均衡相结合,有效补偿Nyquist频谱整形载波间的ICI损伤,实现FTN传输。对于2×16-GBd PDM-16QAM信号,载波间隔为15-GHz的FTN超信道基于HD-FEC,经过960-km的标准单模光纤传输,实现了7.7b/s/Hz的净频谱效率。在软判决前向纠错码(SD-FEC)的帮助下,载波间隔分别为14和15-GHz的FTN超信道分别传输了960-km和1920-km单模光纤。(3)提出了基于收发端分步补偿的数字背向传输(SSDBP)非线性补偿算法,通过将数字背向传输(DBP)算法在发射端和接收端分步实现,算法中的色散补偿与收发端Nyquist频谱整形共用快速傅里叶变换和逆变换运算,极大降低了算法复杂度。经过传输实验验证,对于34.94-GBd PDM-16QAM超信道传输,相同步数的SSDBP与传统的副载波复用DBP(SCM-DBP)具有相近的非线性补偿性能,但SSDBP实现了50%计算复杂度简化。对于1920-km和2880-km 34.94-GBd PDM-16QAM传输,两步和三步SSDBP分别实现了0.9-dB和1.3-dB的Q~2提升。仅需27.5次复数乘法条件下,SSDBP使超信道单模光纤传输距离延伸了31.6%。通过数值仿真,我们研究了DAC分辨率和光纤参数偏差对SSDBP补偿性能的影响,验证了算法性能稳定性。(4)提出了基于单步M-SCM-DBP的非线性补偿算法,通过34.94-GBd PDM-32QAM超信道传输实验,验证了算法非线性补偿能力。经过960-km标准单模光纤传输,仅需23次复数乘法的单步M-SCM-DBP获得了0.75-dB的Q~2增益,其补偿性能与两步SCM-DBP和12步低通滤波器辅助DBP(LDBP)相近。而M-SCM-DBP的计算复杂度仅为SCM-DBP的37%和LDBP的10%。M-SCM-DBP可将传输距离提升至1220-km,与未进行非线性补偿相比,提升幅度达到36%。数值仿真验证了M-SCM-DBP可适用于不同波特率的PDM-32QAM和PDM-64QAM超信道传输。