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《超高速超大容量超长距离光纤传输系统前沿研究》所适用的读者是从事光纤通信领域的科研、设计、制造和维护等方面工作的技术人员，以及高等院校通信工程等相关专业的研究生和教师。
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| 內容簡介： |
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《超高速超大容量超长距离光纤传输系统前沿研究》是国内**部系统而全面地介绍了超高速率、超长距离、超大容量（3超）光纤传输系统方面的技术专著，其内容涉及3超光纤传输系统、调制与复用、数字信号处理、高速传输光信号处理、单载波光纤传输系统、多载波光纤传输系统、实现3超传输的主要研究内容、100Gbits相干光纤传输系统等，目的在于帮助读者学习和掌握3超光纤传输系统系统组成、工作原理、关键技术和典型应用。
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| 目錄：
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序
前言
第1章绪论 1
1.1引言 1
1.2光纤传输系统演进 3
1.3光纤传输系统发展趋势 7
参考文献 9
第2章三超光纤传输系统 10
2.1科学问题探讨 10
2.2波分复用系统组成 11
2.3三超光纤传输技术演进 13
2.4实现三超光纤传输的技术挑战 15
2.5多维复用三超光纤传输系统综述 17
参考文献 21
第3章光纤传输损伤 23
3.1科学问题探讨 23
3.2网络业务 23
3.3光纤传输损伤 25
3.3.1 光纤衰减 25
3.3.2 光纤色散 28
3.3.3 偏振模色散 31
3.3.4 光纤非线性效应 34
参考文献 39
第4章光调制、编码与光复用 41
4.1科学问题探讨 41
4.2光调制 42
4.3光调制器 44
4.3.1 光调制类型 44
4.3.2 光调制技术 45
4.3.3 光调制器类型 46
4.4光调制格式 51
4.4.1 调制的基本要求 51
4.4.2 光调制格式类型 52
4.4.3 光调制格式 54
4.5新型光调制研究 58
4.6光信道编码 66
4.6.1 光信道编码概述 66
4.6.2 LDPC码编译码方案研究 68
4.6.3 低错平层的 LDPC码的构造 71
4.6.4 LDPC码与高阶调制的仿真分析 76
4.7光复用 78
4.7.1 复用作用 78
4.7.2 复用方法 79
参考文献 84
第5章高精度色散管理与非线性抑制 87
5.1科学问题探讨 87
5.2高精度色散管理 88
5.2.1 高精度的光纤色散测量 88
5.2.2 抗色散频域包络传输法 88
5.2.3 高精度的光纤色散补偿方法 91
5.3高精度的全光在线色散监测方法 92
5.4非线性抑制 99
5.4.1 全光非线性抑制 99
5.4.2 非线性和 ASE噪声的处理方法 102
5.4.3 相位调制格式信号抗非线性方法 104
5.4.4 拉曼放大系统中非线性损伤的抑制 106
参考文献 112
第6章数字信号处理 113
6.1科学问题探讨 113
6.2数字信号处理功能 113
6.2.1 数字信号处理功能框图 113
6.2.2 色散补偿 114
6.2.3 偏振模色散补偿 115
6.2.4 非线性补偿 116
6.2.5 数字反向传输的应用 117
6.3数字信号处理研究 119
6.3.1 数字信号处理算法的作用 119
6.3.2 单载波数字信号处理 120
6.3.3 多载波数字信号处理 124
6.4下一步研究的问题 127参考文献 128
第7章 100Gbits光纤传输系统 130
7.1科学问题探讨 130
7.2 100Gbits光纤传输系统关键技术 131
7.3 100Gbits系统关键器件与模块 135
7.3.1 100G DP-QPSK相干光收发模块 136
7.3.2 多通道窄线宽可调谐激光器 137
7.3.3 集成相干接收器 138
7.3.4 光性能监测模块 139
7.3.5 高速模数 数模转换器设计 140
7.3.6 100G光调制器 141
7.3.7 跨阻放大器 143
7.3.8 100G客户侧光模块 143
7.4 100Gbits系统应用 144
7.4.1 选择共用平台 144
7.4.2 低速率业务传送 144
7.4.3 波分复用系统混传 145
7.4.4 100G引入策略 145
参考文献 147
第8章多载波光纤传输系统 148
8.1正交频分复用特点 148
8.2技术发展历程 149
8.3正交频分复用原理 151
8.3.1 基本原理 151
8.3.2 实现方法 153
8.3.3 调制解调 155
8.3.4 离散傅里叶变换 157
8.3.5 循环前缀 158
8.3.6 频谱效率 161
8.4电的光多载波系统 162
8.4.1 相干光 OFDM 162
8.4.2 直接检测 OFDM 165
8.5光复用的光多载波系统 168
8.5.1 光复用产生 168
8.5.2 全光 OFDM 168
8.5.3 光超级信道 169
8.5.4 光频分复用 170
8.6光网络中的应用 171
8.6.1 长途干线光网络 171
8.6.2 频谱灵活的光网络 172
8.6.3 接入光网络 174
8.7研究方向 175
8.7.1 超高速率 175
8.7.2 超长距离 175
8.7.3 超大容量 176
8.7.4 光电集成电路 176
8.7.5 软件定义光传输系统 176
8.7.6 实时相干检测 177
参考文献 178
第9章三超光纤传输系统研究 180
9.1研究主要内容 180
9.1.1 传输基础理论验证系统 180
9.1.2 自相关光源的产生及非本振相关接收 180
9.1.3 全光、高谱效率的光发射 接收 183
9.1.4 高增益、宽带宽的参量放大 184
9.1.5 高精度色散管理 186
9.2研究分工与重要试验 187
9.2.1 研究分工 187
9.2.2 重要三超系统实验 187
9.3典型的三超传输试验系统特点介绍 188
9.3.1 超高速率传输试验系统 188
9.3.2 超大容量单纤传输试验系统 194
9.3.3 超长距离传输试验系统 200
9.3.4 超大容量距离积传输试验系统 204
参考文献 208
第10章光纤传输系统前沿研究 210
10.1 光传送技术 210
10.1.1 超 100G光纤传输技术 210
10.1.2 多维复用 210
10.1.3 全光交换 211
10.1.4 软件定义光网络 211
10.2 高速光电集成器件 212
10.2.1 高速光器件 212
10.2.2 光子集成 213
10.2.3 芯片上光互联 213
10.2.4 光电集成器件 213
10.3 新型光纤 214
10.4 400Gbits传输系统 216
10.4.1 产生背景 216
10.4.2 400G关键技术 217
10.4.3 400G400GE标准 219
10.4.4 400G OTN承载的业务类型 221
参考文献 222
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| 內容試閱：
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第1章绪论
1.1引言
人类已进入信息社会，信息的传输和交换是在网络上完成的。网络已经成为各国主权重要标志。网络空间重新定义时间、空间、力量和效能。电信网络既重新定义了社会关系、生产关系乃至国际关系，又重新定义了人们对世界的认知。电信网络技术成为国家重大战略，其核心器件研制能力和软件开发水平成为各国竞争力的具体体现。网络和信息成为国家文化和文明的基石。专家预言：30年或更长时间后，网络和智能经济发展规模将逼近实体经济的发展规模。
《科学美国人》评价光纤通信是二战以来具有重要意义的四大发明之一。没有光纤通信，就没有今天的互联网和移动通信网络。光纤通信网是建立通信网络的基础。它为营造一个“无处不在，处处在”的信息社会奠定了坚实的基础。
信息时代需要随时随地进行信息传递。人们利用电信系统克服时空限制，几乎可以瞬间将大量信息传递到遥远的各个地方。在电信系统中，信源的信息通常被调制到载波上然后再发射或传输到信息接收的信宿。电磁载波频率越高，其可能携带的信息越多。
图1-1给出了现代电信系统使用的电磁波频谱。
在宽阔的电磁（载）波频谱中，现代电信系统广泛使用的两大电磁载波频谱是电波频谱和光波（光纤通信）频谱。电波频谱覆盖的频率范围从100kHz到300GHz，而光波频谱覆盖的频率由30THz到300THz。因为射频微波范围内可用频谱有限，所以电波频谱主要用于有线和无线宽带接入网。例如，广播、电视、局域网、无线局域网、固定电话和移动电话等的接入线路，光波频谱（光纤通信）具有250THz的巨大带宽，它可以提供100Tbits及其以上的数据传输能力，特别适合承担光纤通信中的长途干线、城域网、接入网主干线路的传输任务。
在电信系统中，传输介质之所以从铜双绞线、同轴电缆、微波发展到光纤，其根本的原因是：光纤的可用带宽巨大（传输容量已超过100Tbits）、传输损耗极小（目前超低损耗光纤可达到0.14dBkm或更小）、体积小、重量轻、抗电磁干扰、原材料来源极为丰富、成本极低。因此，光纤传输系统和光网络已经成为承载世界海量的语音、数据、图像和宽带多媒体业务的基础设施。
自从20世纪80年代以来，光纤传输系统广泛使用在通信网络中。在通信数字化推动下，光电器件、数字信号处理、计算机普及，加快了社会信息化步伐。语音、数据、图像业务，特别是宽带多媒体业务，推动了光纤传输系统向着高速率、长距离、大容量和低成本方向发展。光纤、光器件、波分复用、调制等技术创新推动了光纤传输系统向三超方向发展。例如，低损耗光纤和掺铒光纤放大器延长了传输距离；色散补偿模块减少了系统传输误码率；波分复用和空分复用技术扩大了系统传输容量。光分插复用器和光交叉连接器赋予光网络灵活性、可靠性和组网能力。先进的光调制格式、相干检测和数字信号处理技术，提高频谱效率、改善接收机灵敏度、减小光纤传输损伤，为光纤传输系统实现三超光纤传输创造了必要的条件。
图1-1现代电信系统使用的电磁波频谱
从1980年到2015年，在微电子器件、微光子器件、纳米光子器件和高速数字信号处理技术创新的推动下，世界各国著名的光纤通信实验室实现的试验和商用的单信道和波分复用光纤传输系统的传输容量不断地增长。在过去短短的35年，光纤传输系统的容量×距离（Capacity-Distance Product，CDP）提高了1000000倍，而传输距离也从10km延长到10000km。
截至2014年6月，我国光缆线路长度达1883.8万公里，其中长途光缆线路92万公里，支撑全国移动电话用户13.06亿，互联网宽带接入用户1.88亿和移动互联网用户8.72亿等各类应用。现在，随着“1G进大楼、100M进家庭”的光纤接入、4G、IPTV、100G、400GE和1TE的迅速发展，光纤传输向超高速率、超大容量、超长距离（三超）和超高频谱效率的方向发展。为了满足光网络正朝着规模不断扩展、容量快速增长、业务日益丰富、应用愈加灵活、业务需求日趋多样的方向快速发展，寻求新型的三超光传输机理与模式，已成为未来光纤传输技术领域面临的重大挑战。三超光纤传输作为一种基础的和高难的光纤通信模式推动互联网和宽带移动通信网发展和技术进步，已成为通信领域知识产权竞争的焦点和制高点。
1.2光纤传输系统演进
光通信是利用光作为信息传输载体的通信方式。广义的光通信历史悠久。例如，中国古代人们利用长城烽火台构建了古老的光通信系统。利用烟雾颜色和烟火数量传递入侵敌人规模的信息。随着社会文明进步，1791年，法国人Claude Chappe在中继或者再生系统进行深入研究的基础上，发明了光电报传输系统。他利用木板颜色和转动角度构成简单的编码信息，实现了100km以上的传输。但是这些光通信方式存在传输速率低、信息量小，且保密性差等问题。
1837年，摩尔斯发明电报系统。该系统于1844年在华盛顿和巴尔的摩之间投入试运行。电报系统既是数字通信伊始，也是电信或者远程通信的开端。1875年，贝尔发明电话。电话是模拟通信的先驱。1837年到1966年，电报和电话一直是电信的主流技术。但它们也存在通信容量小和传输质量受限的问题。随着社会文明进步，促进人们对信息交换的需求与日俱增，迫切需要大容量的传输系统。
20世纪50年代，为了研究大容量传输系统，人们开始重新利用光作为载波进行通信。由于缺乏合适的相干光源和低损耗传输介质，光通信研究被限制在大气光通信，即以气体激光器为光源和以大气为传输介质。大气光通信在传输容量和传输质量方面，一直不尽人意。1966年，英国标准电信实验室的华裔科学家高琨和G.A.Hockham共同提出光纤通信设想。他们提出的光纤传输系统模型，如图1-2所示。
图1-2光纤传输系统模型
这个简单的光纤传输系统的工作原理是，在光发射机端，将电信号输入驱动电路，对半导体激光二极管（Laser Diode，LD）或者发光二极管（LightEmitting Diode，LED）发出的光进行强度调制，然后将经强度调制后的光信号注入光纤，光信号在光纤（信道）线路中经过长距离传输到达光接收机端，在光接收机端，光信号被雪崩二极管（Avalanche Photo-Diode，APD）或者其他光电二极管（Photo-Diode，PD）检测并转换为电信号，*后经过信号恢复，输出电信号。
光纤传输系统演进的实践证明，每一次重大技术突破都是通过光纤、光器件、调制编码、相干检测和数字信号处理技术解决光纤传输性能的限制，促进光纤传输系统实现三超传输。图1-3所示的是光纤传输系统技术演进过程。在光纤通信发展初期，世界上还没有完整的光纤、光器件和光纤传输系统设计的理论和方法。赵梓森院士在考证了当时众多学派相关理论的基础上，创立了以石英玻璃光纤作为传输介质，采用半导体激光器作为光源，使用PCM编码作为调制技术的光纤传输系统的技术路线。这个技术路线一直沿用至今。1981年，赵梓森团队在武汉三镇开通了中国**套商用的8Mbits光纤传输系统。同期，光器件也取得了巨大进展。中科院半导体所王启明院士主持完成了Si雪崩光电探测器、砷化镓双异质结半导体激光器研究，创造了半导体激光器室温连续工作10万小时国内记录，发现了双异质结半导体激光器的反常自脉冲光输出以及异质结的负阻记忆效应，并创新发展了一种含双有源区共谐振腔结构的具有逻辑功能的光双稳态激光器。
图1-3光纤传输系统技术演进过程
清华大学周炳琨院士于1984年在国际上率先研制出半导体激光泵浦固体YAG激光器，实现了当时世界上效率**（6.5%）、线宽*窄、频率*稳定的固体激光器，发明了单片单模环形YAG微型激光器，主持完成了“单模窄线宽可调谐外腔半导体激光器及其相关技术的研究”。中科院半导体所陈良惠院士在国内率先实现量子阱激光器的突破，并开拓不同波长、不同功率、不同应用目标的量子阱激光器和其他光电子器件的研制、开发与工程化，在980nm应变量子阱大功率激光器，高亮度AlGaIn PLED、高功率量子线激光器、垂直腔面发射激光器和GaN基蓝光激光器等取得出色成果。并于1987年，利用工作波长为1310nm的LD和单模光纤，实现了传输速率为1.7Gbits，中继距离为50km的传输。至此，光纤通信全面取代电缆通信，成为通信主流技术。1987年，英国南安普顿大学David Payne发明了掺铒光纤放大器（Erbium Doped Fiber Amplifier，EDFA），EDFA对光信号在光域上直接放大，减少了电中继复杂性，降低传输成本，是光纤传输技术进步的又一个里程碑，为实现超长距离的洲际及跨洋的陆地和海底光纤通信奠定了技术基础。但由于当时电子器件的速率限制，光纤巨大带宽资源优势并没有得到充分利用。
1990年，微电子器件的技术进步，使得工作波长为1550nm的LD光纤传输速率提高到2.5Gbits，采用光-电-光中继器实现的传输距离为60～70km。1991年，**个跨太平洋光纤传输系统投入运行，使用EDFA以2.5Gbits的速率传输了11300km。邮电部五所邬贺铨院士于1991年带领的团队在国内首先研制成功了PCM30路复用设备、STM-1STM-4复用设备、155622MbitsSDH光纤通信系统。解放军信息工程大学邬江兴院士于1991年主持研制成功我国**台容量可达6万等效线的程控数字交换机并实现产业化。中国联通刘韵洁院士主持设计、建设并运营了中国联通“多业务统一网络平台”，解决了IP网络不可控、不可管和服务质量无法保证的问题，解决了在一个网络平台上同时提供多种电信、互联网和视频等业务的技术问题。1995年，贝尔实验室厉鼎毅博士提出，在一根光纤上可同时传输十几个甚至几十个波长的光信号，而只用一个EDFA就能够同时放大多个波长的波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）方法，WDM+EDFA二者巧妙结合，在降低系统成本的同时，使传输容量和距离得到大幅提高，为光纤传输系统向超大容量和超长距离方向发展，奠定了坚实的基础。1996年，EDFA+WDM光纤传输系统实现了100Gbits20×5Gbits、距离为9100km传输。1998年，WDM和EDFA技术在欧亚大陆铺设的38000km跨越洲际海缆上，实现了传输容量为4×2.5Gbits的传输。1999～2000年，WDM技术已经达到32～64×10Gbits水平。如果以8对光纤计算，这个64波的WDM系统能够实现的总传输容量为2×8×64×10Gbits=10.24Tbits。这表明光纤传输系统的传输容量已经达到Tbits级水平。
20世纪90年代中后期，针对光纤通信中已覆盖全球的SDHSONET传输网（包含长距离和超长距离传输）仅面向话音设计、业务单一、面临互联网挑战的难题，武汉邮科院余少华等发明E1155M622M2.5G-以太网和千兆以太网内嵌外置LAPS系统设备，在武汉至鄂州取得示范应用后，提出并主导制定了以太网IP与SDH融合的LAPS（链路接入规程-SDHSONET）电联标准（ITU-TX.85-IPover SDHusing LAPS和Ethernetover LAPS），完成EOS芯片和系列系统设备研发，在国内外取得大量应用。与单纯路由器相比，传输速率相同，成本不到110，为我国节省数十亿元投资，避免了使用国外设备带来的安全问题。LAPS作为国际上两种主流技术中较早发明的技术，被全球几十家厂商生产与引用。LAPS的发明，在国际上率先推动光纤通信的互联网化，率先开启了电信传输网SDH向互联网的转型，率先提出了解决互联网的覆盖与提速的可行性方案。
2001年，日本NEC公司研究人员采用110μm2超大有效面积光纤，偏振复用，S波带、C波带、L波带和拉曼光纤放大器混合放大，色散补偿光纤等组合技术构建光纤传输试验系统。这个试验系统实现了传输容量为10
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