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随着5G时代的来临,以及物联网、增强虚拟现实、云计算、云存储等新兴技术的兴起,全球IP数据流量的增长迅猛,尤其针对数据中心间的短距光互联系统,需要大容量、低功耗及低成本的解决方案。论文基于四电平幅度调制(pulse amplitude modulation-4 level,PAM-4)信号,开展了应用于数据中心间光互联的直接检测系统和简化相干检测系统的研究,并就传输性能予以实验比较。论文的主要研究内容包括:(1)针对应用于数据中心光互联的单波100G的直接检测系统,分析了色散和非线性相互作用条件下传输损伤补偿策略,提出在发射端进行数字域色散管理,接收端利用稀疏Volterra均衡器补偿非线性传输损伤,显著降低相应数字信号处理的计算复杂度,成功实现单波112 Gb/s的PAM-4信号无误码传输80 km标准单模光纤。(2)针对PAM-4信号提出了一种无需数字信号处理的偏振不敏感简化相干接收方案,利用3×3耦合器代替90度混频器,将昂贵的平衡探测器换成单端探测器,通过简单的模拟信号处理就可以实现偏振不敏感的相干接收,在仿真优化参数的基础上予以实验验证。(3)基于简化相干接收方案和超密集波分复用无源光网络(UDWDM-PON)架构,将波长信道间隔低至6.25GHz时,成功实现4路5Gb/s的PAM-4信号无误码传输20公里标准单模光纤,在7%硬判决门限处获得-28dBm的接收机灵敏度。