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近些年来,通信网络的作用从单纯的传递信息逐渐融入了内容型,个性化服务。在此趋势下,数据中心将会迎来大规模发展,用户侧各类终端设备的接入带宽需求也会不断增长。光纤通信作为整个通信网络的基础,也将面临着新的挑战。一方面,数据中心的大规模建设需要可靠的高速光互连技术作为支撑;另一方面,在移动承载网接入系统和固网接入系统中,大量终端的宽带接入也需要依托更先进的高速光传输技术。以上两种应用场景传输距离不长,均属于短距离光传输的范畴。可见,高速短距离光传输技术的成熟发展,对新一代通信网络的建设是十分关键的。本文围绕短距离光纤传输系统中信号检测和处理的关键技术进行了深入的研究。主要内容和创新点如下:论文首先开展了高速IM-DD光传输系统中信号损伤补偿的算法研究。理论分析表明,影响高速信号传输性能的限制因素在于系统的带宽和严重的非线性损伤。本文提出了三种先进的均衡算法:(1)部分响应信号能够压缩信号频谱,提高对带限效应的容忍度。本文提出了编码型MSLE均衡算法,用于部分响应信号的解调,来解决传统MLSE引发的差错传播问题,降低误码率。实验结果表明,基于C波段直调直检的传输系统,100 Gbps PAM-4信号能够实现硬判决门限下(HD-FEC)15-km传输。(2)反馈均衡算法对于带限效应引起的损伤有良好的补偿效果。本文提出了基于Volterra级数的判决反馈均衡算法(Volterra-DFE),来抑制信号的非线性损伤。实验结果表明,基于C波段直调直检系统,60 Gbps PAM-4信号能够实现SD-FEC门限下80-km的传输。(3)THP编码可以看做发射端的DFE均衡算法。本文提出了基于非线性THP编码的预反馈均衡算法,基于C波段外调直检系统,分别实现了84 Gbps PAM-4和107 Gbps PAM-4在HD-FEC下的80-km和40-km传输。其次,开展了双偏强度调制光传输系统中信号检测与处理研究,提出了基于KK检测算法和新型双偏PAM调制的方案,既降低了硬件和运算复杂度,又保证了高性能KK检测。解偏振复用需要恢复光场信息,本文采用基于KK检测的偏振复用接收机结构来实现光场信息恢复,与传统相干接收相比硬件复杂度明显降低。同时为了实现高性能的KK检测,本文提出载波抑制的PAM-4调制方案,保证接收机侧有稳定的的载信比,并且此方案不需要接收端的载波相位恢复,降低了对激光器线宽的要求。最后,按照PON系统下行传输需求进行了演示实验,验证了100 Gbps PDMPAM-4信号的20-km和40-km传输,结果表明,根据2.4×10-2的SD-FEC要求,可得到29dB的功率预算。同时,开展了数字移动前传光传输技术研究,提出了基于新型PAM调制和采样比特优化映射的方案,来提升移动信号的传输质量。理论分析表明,不同权重采样比特出现误码时对移动信号带来的失真不同。基于此,本文的思路是,给高阶采样比特好的传输条件,让误码集中于低阶采样比特部分。对于信噪比受限的光传输链路,分别提出了基于非均匀PAM-4调制,和基于混合PAM-2/PAM-4调制的方案。对于受限于非线性损伤的光传输链路,如啁啾效应严重的DML和EML系统,提出了比特交织的方案。验证实验结果表明,以上三种方案与传统PAM-4调制相比,都能显著降低移动信号失真。最后,开展了模拟移动前传光传输技术研究,研究了与低成本IM-DD兼容的并行信号检测方案,来解决传统模拟传输不支持上行多点到点连接的问题。另外,在此基础上,还提出了基于波长选择开关(wavelength selective switch,WSS)和波导阵列光栅路由器(arrayed waveguide gratting router,AWGR)的结构,来支持光传输层资源共享。验证实验结果表明,采用并行信号检测和所设计的系统结构,传输性能可以满足模拟移动前传对信号性能的要求。