項目名稱： 超高速超大容量超長距離光傳輸基礎(chǔ)研究 首席科學(xué)家： 余少華 武漢郵電科學(xué)研究院 起止年限： 2010 年 1 月 8 月 依托部門： 湖北省科技廳 一、研究內(nèi)容 鍵科學(xué)問題 本項目立足于開拓光纖通信發(fā)展的新思路，系統(tǒng)科學(xué)地研究超高速光傳輸基礎(chǔ)理論，探索超高速光傳輸系統(tǒng)特有的內(nèi)在基本規(guī)律，以實現(xiàn)光譜利用高效化、傳輸距離超長化、網(wǎng)絡(luò)干線高速化、信號管理動態(tài)化為目標，創(chuàng)建 3U 光傳輸?shù)睦碚?、方法和技術(shù)體系。針對上述目標及國家信息基礎(chǔ)設(shè)施的需求，本項目圍繞下列三個關(guān)鍵科學(xué) 問題對超高速光傳輸系統(tǒng)的理論與實現(xiàn)方法展開研究。 科學(xué)問題一：高譜效率的途徑、機理與容量限問題 信息論及數(shù)字通信時代的奠基人克勞德 948 年率先提出了通信信道能夠傳輸?shù)男畔⑷萘繂栴}。一般用香農(nóng)理論來分析光纖信道都做了很大近似，需要假設(shè)信道具有較弱的非線性效應(yīng)、低色散和傳輸速率限制。由于這些研究中沒有考慮調(diào)制方式、象限陣階數(shù)和非線性補償問題，使得該理論模型具有較大缺陷。因此如何基于香農(nóng)理論建立先進光通信系統(tǒng)的完整模型（用于研究高頻譜利用率、多極性振幅和相位調(diào)制、高速準線性傳輸、發(fā)射機預(yù)失真反向補償非 線性效應(yīng)和相干接收等前沿技術(shù)），是亟需解決的關(guān)鍵科學(xué)理論問題之一。 此外，要達到接近香農(nóng)極限的信號傳輸效率 ,需要超強的編碼。奈奎斯特（ 理描述了信號數(shù)據(jù)率與帶寬之間的關(guān)系，當數(shù)據(jù)信號為二進制時每赫茲帶寬的理想低通信道的最高碼元傳輸速率是每秒 2個碼元，當數(shù)據(jù)信號為M 進制時，奈奎斯特定理決定的信道容量為 C=2此提高數(shù)據(jù)進制可以提高系統(tǒng)的容量。復(fù)雜的線路編碼既可以增加信道容量，也可以用于信道糾錯，但是線路編碼也增加了接收機判決的復(fù)雜度。因此如何在多電平編碼情況下實現(xiàn)接收機多電平軟判 決也是本問題需要研究的重要內(nèi)容。 本科學(xué)問題在香農(nóng)理論的基礎(chǔ)上建立適應(yīng)光纖傳輸信道和發(fā)射接收系統(tǒng)的準線性近似、非線性預(yù)補償和相干接收的完整模型。該理論模型的建立，將拓展香農(nóng)理論在光信息領(lǐng)域的應(yīng)用，解決高速光通信系統(tǒng)與香農(nóng)定理的偏離問題，為未來光通信系統(tǒng)容量確立新的規(guī)則，具有重大的理論和實用意義。并且在該模型的基礎(chǔ)上，探討提高 3U 頻譜效率的途徑及其機制，以期較大程度的提高現(xiàn)有通信系統(tǒng)的頻譜利用率，使之接近香農(nóng)極限，為最大限度的提升 3 科學(xué)問題二：復(fù)雜光纖色散與多階均衡問題 研究復(fù)雜的光纖色散 機理及多階色散均衡問題對超高速光通信傳輸系統(tǒng)具有十分重大的意義，它能夠優(yōu)化先進調(diào)制格式，降低對超高速 化超高速光信號的接收和處理 ,全面控制或消除光纖系統(tǒng)的色散影響，使光接收機能夠直接在低速光電通道接收處理信號，充分利用現(xiàn)有成熟技術(shù)實現(xiàn)高頻譜效率。超高速光傳輸系統(tǒng)的色散管理具有其獨特的要求，需要對光纖色散的復(fù)雜變化進行深入研究，對色散的多種變化建立模型，并能夠以此為基礎(chǔ)建立有效的超高精度全波段的多階補償機制。 本科學(xué)問題涵蓋超高精度色散管理的兩個核心部分： (1)高精度色散在線精確測量：利用復(fù)雜色 散模型和信息處理算法能夠?qū)崿F(xiàn)對色散的檢測； (2)色散及色散斜率獨立可調(diào)：高精度色散管理分為靜態(tài)可調(diào)和動態(tài)可調(diào)兩部分，分別應(yīng)用于光纖傳輸線路和接收端，具有不同的色散要求。獨立的色散及色散斜率調(diào)整能夠?qū)λ泄馔ǖ肋M行多階精確色散控制和均衡。這兩個核心內(nèi)容結(jié)合在一起，構(gòu)成了光纖色散的基礎(chǔ)理論框架，解決了高階色散補償問題，形成由一階色散補償向多階色散均衡的飛躍。 科學(xué)問題三： 3U 光纖非線性動態(tài)協(xié)同適變性問題 色散和非線性動態(tài)協(xié)同的適變性是 3U 光纖通訊系統(tǒng)的核心問題之一。和單纖速率為 10s 和 40s 的傳統(tǒng)光通信系統(tǒng)相比， 3U 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息帶寬較寬，非線性作用的影響性質(zhì)不同，不同調(diào)制格式的頻譜也不同，使得光傳輸?shù)姆蔷€性影響是前者的數(shù)十倍。 對光傳輸有重要作用的非線性效應(yīng)有：受激布里淵散射 (受激拉曼散射 (自相位調(diào)制 (交叉相位調(diào)制 (四波混頻 (。其中 ，具有響應(yīng)帶寬遠大于 和光纖色散相互作用的復(fù)雜特性，成為影響光系統(tǒng)傳輸?shù)闹饕蔷€性來源。超高速光傳輸系統(tǒng)的非線性具有帶內(nèi)、帶外 多種非線性因素的復(fù)雜相互作用的特征。 在傳統(tǒng)光傳輸中，非線性效應(yīng)是以統(tǒng)計形式表現(xiàn)出來的，光通道內(nèi)部不同數(shù)據(jù)碼串有不同的非線性統(tǒng)計變化。源于通道之間相互作用的非線性呈現(xiàn)類白噪聲的統(tǒng)計特征，變化十分復(fù)雜，目前沒有很有效的抑制方法。 本科學(xué)問題以高精度色散管理技術(shù)為基礎(chǔ)，重點研究和揭示多種非線性效應(yīng)相互作用的機理及規(guī)律；結(jié)合全光通道統(tǒng)一歸零碼光源的特性，消除了非線性的統(tǒng)計變化，利用精確的數(shù)據(jù)比特光程差控制，提出了一個全新的非線性抑制和管理的機理和方法；研究 3U 系統(tǒng)下的色散和非線性動態(tài)協(xié)同的適變性；實現(xiàn) 3通道準線性傳輸。這種方法能夠?qū)γ總€光比特信號的相對時間位置精確管理，還能充分利用全光信號處理技術(shù)對所有光通道信號波型進行再生處理，在消除非線性效應(yīng)的同時，對其他傳輸信號失真（比如 進行了糾正補償。 要研究內(nèi)容 圍繞上述的三個關(guān)鍵科學(xué)問題，本項目針對以下五項內(nèi)容展開研究。 1. 160 100Gb/s 2000 公里的 3完成超高速光傳輸?shù)睦碚撜撟C，建立科學(xué)的理論依據(jù)， 研究實現(xiàn)超高速光通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，確定實現(xiàn)途徑及方案， 指導(dǎo)其他課題按照正確的思路去解決問題；建立 超高速光傳輸系統(tǒng)的理論模型， 以仿真系統(tǒng)和實驗演示系統(tǒng)為綜合實驗平臺，研究理論模型的可行性， 對接近香農(nóng)極限的規(guī)律性進行研究；完成超高速光傳輸?shù)捏w系結(jié)構(gòu)設(shè)計，設(shè)計并 優(yōu)化 驗證系統(tǒng)方案 ，完成 160 100Gb/s 2000公里的 3 2. 全光多波長自相關(guān)光源的產(chǎn)生及非本振相關(guān)接收理論與實現(xiàn) 全光多波長、自相關(guān)、超低相位噪聲光源及其非本振相關(guān)接收理論；提高相干接收靈敏度和頻譜效率的高相干性種子光源；超窄帶梳狀濾波及精密合波技術(shù)；基于自相關(guān)探測的雙波長傳輸特性；單信道雙波長傳輸?shù)姆蔷€性串擾消除 。 3. 基于先進調(diào)制格式及編碼方式的全光、高譜效率的光發(fā)射 /接收理論與實現(xiàn) 系統(tǒng)容量極限理論；光信道和發(fā)射接收端的準線性近似、非線性預(yù)補償和相干接收等機理；基于有限幾何或投影幾何構(gòu)建高效前向糾錯碼 (論及其對光信號性能的影響機制；光發(fā)射 /接收的有效模型；高頻譜效率的超正交光調(diào)制格式；具有高譜效率相位平滑多進制、光調(diào)制解調(diào)的新方法；全光正交頻分復(fù)用（全光 論與技術(shù)；基于平面光波導(dǎo)（ 差分正交相移鍵控 /幅移鍵控（ 全光 4. 高增益、寬 帶寬、高平坦度、超低噪聲的參量放大理論與實現(xiàn) 接近量子極限超低噪聲的光放大機理及相應(yīng)的實現(xiàn)方案；基于相位選擇性的再生機理與光放大方法；帶寬和窗口均可動態(tài)配置參量放大器理論研究與實現(xiàn)方法；全光多通道信號 3 5. 超高速傳輸系統(tǒng)中高精度多階色散管理及信號非線性損傷的抑制理論與實現(xiàn) 超高速光傳輸高階（ 4 階）色散機理，色散精確管理、多階均衡理論及高精度色散的精確測量理論；基于高效編碼克服偏振模色散機理與偏振模色散管理方法；超高速光纖單信道帶內(nèi) /多信道帶內(nèi)外的混合非線性機理和非線性協(xié)同適變性問題；超 高速超密集波分系統(tǒng)中色散與非線性相互作用及轉(zhuǎn)化機制的模型；光信號 (全同步 )非線性非對稱碰撞、色度色散控制及其動態(tài)協(xié)同管理機制；相位調(diào)制誘導(dǎo)幅度抖動的非線性作用機理及抑制方法。 二、預(yù)期目標 體目標 本項目的總體目標是：以國家信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的戰(zhàn)略需求為牽引，以解決超高速光傳輸?shù)南冗M格式調(diào)制、精密色散管理和非線性抑制方法問題為核心，研究超高速光傳輸?shù)幕A(chǔ)理論與方法，實現(xiàn)從傳統(tǒng)非相關(guān)通信模式到新型相關(guān)通信模式的轉(zhuǎn)變；以 網(wǎng)絡(luò)干線高速化、傳輸距離超長化、光譜利用高效化、信號管理動態(tài)化 為目標，提出一 整套超高速光傳輸?shù)臋C理與模式，實現(xiàn)基礎(chǔ)理論上的突破、關(guān)鍵技術(shù)上的創(chuàng)新，使我國在相關(guān)領(lǐng)域的研究成果進入國際領(lǐng)先行列。與此同時，在基礎(chǔ)研究成果與相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的結(jié)合方面形成研究特色，在理論研究的基礎(chǔ)上，搭建出一套 160 100Gb/s 2000公里的 3培養(yǎng)和建立一支學(xué)術(shù)水平高、創(chuàng)新能力強的科研隊伍，為我國在未來十年內(nèi)建立新型國家信息基礎(chǔ)設(shè)施打下堅實的基礎(chǔ)，為我國信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供核心技術(shù)的支持。 年預(yù)期目標 通過五年的研究工作，本項目預(yù)期成果為： 1. 本項目理論成果： （ 1）揭示超高速光編碼調(diào)制的譜效率極限規(guī)律 建立基于先進調(diào)制格式和編碼的相關(guān)通信理論分析模型； 揭示香農(nóng)定理在超高速光通信中的普適性規(guī)律，解決傳統(tǒng)光通信系統(tǒng)與香農(nóng)定理的偏離問題； 提出高頻譜效率的超正交光調(diào)制格式和光信道編碼方法； 提出 3U 系統(tǒng)高譜效率光編碼調(diào)制基礎(chǔ)理論和方法。 （ 2）建立超高速光傳輸精確色散管理機制 揭示超高速光傳輸高階（ 4階）色散機理，提出精確管理理論及高精度色散的精確測量方法； 提出光信號 (全同步 )非線性非對稱碰撞、色度色散控制及其精確管理的方法； 提出 3U 光傳輸復(fù)雜光纖色散與多階均衡理論 ，實現(xiàn) 3U 全波段、精確色散管理 基礎(chǔ)理論和方法的突破。 （ 3）提出全波段非線性抑制和色散的動態(tài)協(xié)同理論 揭示相位調(diào)制誘導(dǎo)幅度抖動的非線性作用機理，并提出抑制方法； 提出超高速光纖單信道帶內(nèi) /多信道帶內(nèi)外的混合非線性作用模型； 構(gòu)建超高速超密集波分系統(tǒng)中色散與非線性相互作用及動態(tài)協(xié)同理論； 提出全波段非線性抑制及其動態(tài)協(xié)同理論，實現(xiàn) 全波段準線性傳輸 。 （ 4）建立全光多波長自相關(guān)光源及非本振相關(guān)接收理論和方法 提出光載波同源自相關(guān)、各光通道全同步和寬帶高相干性種子光源機制，在 3突破。 （ 5）建立超高速光傳輸系統(tǒng)的理論模型 提出多波長超低相位噪聲全通道自相關(guān)光源的理論模型； 給出基于有限幾何或投影幾何構(gòu)造高效率 給出多通道自相關(guān)雙波長傳輸特性； 揭示接近量子噪聲極限、相位選擇性、動態(tài)配置參量光放大機理； 建立光信道和發(fā)射接收端的準線性近似、非線性預(yù)補償和非本振相關(guān)接收理論模型。 2. 在國內(nèi)外核心刊物及重要會議上發(fā)表論文 200篇以上（包括 其中 00篇以上。 3. 提 交 際標準建議文稿 5 篇，申請發(fā)明專利 35 項以上，含基礎(chǔ)專利申請 5項。 4. 理論成果驗證： 完成 3要技術(shù)指標如下： （ 1）單波速率 100Gb/s； （ 2）總波長數(shù) 160波； （ 3）系統(tǒng)傳輸距離 2000 （ 4）譜效率 160 波優(yōu)于 s/ （ 5）編碼增益 10 （ 6） 160 個通道頻譜范圍內(nèi)的殘余色散小于 10ps/ 5. 培養(yǎng)國家級和省部級優(yōu)秀學(xué)術(shù)帶頭人 6 人以上；培養(yǎng)博士生 40 名以上，碩士生 80名以上。 三、研究方案 術(shù)思路 本 項目旨在系統(tǒng)地研究超高速光通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論與實現(xiàn)方法，學(xué)術(shù)思路體現(xiàn)如下所述： 以我國當前的通信網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢為背景，以實現(xiàn)未來光纖通信網(wǎng)絡(luò)的高速、高性能、高譜效率、大容量和長距離多通道傳輸為目標，研究基礎(chǔ)性的科學(xué)問題，包括多波長自相關(guān)光源產(chǎn)生機理、全光信號處理的理論、非線性損傷的抑制、超高精度色散管理等，建立 160 100Gb/s 2000 公里的 3U 光傳輸基礎(chǔ)理論驗證系統(tǒng) ，研究實現(xiàn)超高速光通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，確定實現(xiàn)途徑及方案。以仿真系統(tǒng)和實驗演示系統(tǒng)為綜合實驗平臺，研究理論模型的可行性、優(yōu)化系統(tǒng)實現(xiàn) 方案。 遵循上述學(xué)術(shù)思路，采取理論與實驗相結(jié)合的研究方法，對相關(guān)的五個課題內(nèi)容展開研究，創(chuàng)建完整的超高速傳輸系統(tǒng)模型，推動超高速傳輸基礎(chǔ)研究的不斷深入，提供具有國際先進水平的超高速光通信研究成果，力爭數(shù)年內(nèi)為我國信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提供強有力的支持。 術(shù)路線 1. 構(gòu)建一種調(diào)制格式透明的 160 100Gb/s 超長距離光通信平臺。該系統(tǒng)應(yīng)用全波長自相關(guān)光源 ,采用異地相關(guān)光源傳送模式，實現(xiàn)具有 新型高速調(diào)制信號的超長距離傳輸，采用相位敏感型參量放大器與超高精度色散管理克服光纖中的色散、損耗、多種非 線性效應(yīng)等影響。 2. 研究“非本振相關(guān)傳輸與接收”創(chuàng)新理論與方法，主要針對大容量信息傳輸系統(tǒng)，在發(fā)送端利用超連續(xù)譜與超密集波分復(fù)用技術(shù)產(chǎn)生全通道自相關(guān)雙波長光源，其中一路波長用于承載信號，另一路波長用于遠端非本振相關(guān)接收。非本振相 關(guān)接收既具有相干光通信的超強能力，又不需要苛刻的本振相干接收光源。 3. 采取理論與實驗相結(jié)合的方法研究高速光調(diào)制、編碼中的深層科學(xué)問題?；谟成湓淼娜?論與 全光傅立葉變換編解碼理論，構(gòu)建全光 調(diào)模型，并在光域?qū)崿F(xiàn)一定的邏輯操作（如添加循環(huán)前綴）；根據(jù)光 纖中光場的分布特性，構(gòu)造出一種在光的偏振、相位、頻率、幅度上同時加載信息的新型超正交信號模型（如 研究微光學(xué)集成以及空間傅立葉光學(xué)和光纖波導(dǎo)光學(xué)的相似性和一致性，在平面光波導(dǎo)（ 實現(xiàn) 光 集成化的調(diào)制解調(diào)器。采用光域糾錯碼減緩正交信號不同維度信息間的互擾，降低系統(tǒng)對激光器線寬的要求，提升系統(tǒng)的性能。 4. 從量子理論出發(fā)深入研究 究三階參量過程中相位匹配的原理和要求，為高增益、寬帶寬、高平坦度、超低噪聲的參量放大技術(shù)及其實現(xiàn) 提供堅實的理論基礎(chǔ)。從光場熱振幅及波動理論出發(fā)，研究 噪聲產(chǎn)生的機理， 進而研究相位敏感的光參量增益放大對噪聲的抑制機理，提出接近量子極限超低噪聲 實現(xiàn)方案。 根據(jù)微結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料的熱物理參數(shù)與拉制工藝參數(shù)之間的動態(tài)關(guān)系，建立拉制微結(jié)構(gòu)光纖所需要的理論模型，研究、設(shè)計基于硫化物玻璃或者二氧化硅的新型微結(jié)構(gòu)光纖，實現(xiàn)性能優(yōu)異的光參量增益放大。 5. 深入研究高速光傳輸單通道超高速光纖信道帶內(nèi)組合與帶內(nèi)外混合非線性機理，揭示超高速光傳輸系統(tǒng)中非線性在頻譜帶寬、光信號波型、相位噪聲等方面與傳統(tǒng) 光傳輸系統(tǒng)不同的特性。建立群速度色散和偏振模色散與材料折射率、光纖結(jié)構(gòu)、環(huán)境變化等因素相對應(yīng)的完整理論模型，全面評估信息傳遞過程中色散參量與各限制因素的動態(tài)交互情況，實現(xiàn)非線性與色散的協(xié)同管理。深入探討光克爾效應(yīng)對 用孤子控制技術(shù)和色散管理孤子技術(shù)及糾錯碼技術(shù)來進行色散的全階補償，有效提高傳輸系統(tǒng)的 基于本項目創(chuàng)新性研制的 多波長超低相位噪聲全通道自相關(guān)光源中所提取的歸零時鐘信號實現(xiàn)在線色散和 要創(chuàng)新點與特色 本項目主攻具有國際影響力的基礎(chǔ)研究熱點和難點 ，著重解決發(fā)展光通信的瓶頸問題， 5年后力爭在理論研究取得原創(chuàng)性成果和核心知識產(chǎn)權(quán)。力爭在全光多波長自相關(guān)光源和非本振相關(guān)接收基礎(chǔ)理論、復(fù)雜光纖色散與多階均衡基礎(chǔ)理論等取得重大突破。 本項目的創(chuàng)新點將表現(xiàn)在以下幾個方面： 1. 3針對光傳輸?shù)淖V效率偏低（ s/問題，本項目提出高譜效率、光調(diào)制解調(diào)基礎(chǔ)理論和新方法（包括建立準線性調(diào)制機理與多階調(diào)制解調(diào)新模型，提出基于空間光學(xué)全光傅立葉變換的編解碼理論；利用有限幾何和均衡不完全區(qū)組設(shè)計，構(gòu)造低復(fù)雜度的高速 譯碼算法編碼調(diào)制新機制），通過 3s/水平（提高 2 倍以上）；并為需要高譜效率的其他光網(wǎng)絡(luò)（如光交換網(wǎng)絡(luò)）奠定理論基礎(chǔ)和提供實現(xiàn)方法。 2. 3雜光纖色散與多階均衡理論 。 針對 復(fù)雜的光纖色散制約了 3導(dǎo)致 3U 光傳輸難以實現(xiàn) 的問題，本項目構(gòu)建復(fù)雜色散模型和信息處理算法，提出對所有光通道進行多階精確色散控制和均衡理論及其實現(xiàn)方法（包括提出光纖色散的基礎(chǔ)理論框架，解決復(fù)雜色散多階均衡問題），通過 3實現(xiàn) 3階 精確色散管理 基礎(chǔ)理論和方法的突破。 3. 3U 光傳輸全波段非線性抑制和色散的動態(tài)協(xié)同理論。 針對 3U 系統(tǒng)的非線性影響是 10G 系統(tǒng)的數(shù)十倍 、導(dǎo)致 3U 光傳輸難以實現(xiàn) 的問題，本項目建立非線性、色度色散控制及其協(xié)同管理的理論和方法（包括揭示精確數(shù)據(jù)比特光程差控制機制，提出全新的非線性抑制協(xié)同機理和方法），通過 3實現(xiàn) 3改進 3輸距離增加一倍） ；為非線性問題向準線性過渡提供相關(guān)研究思路及方法。 4. 3U 光傳輸全相干發(fā)射與接收理論。 針對現(xiàn)有 個通道非相關(guān)和非線性相互作用非相關(guān)等特征，導(dǎo)致非線性效應(yīng)難以抑制等問題，本項目基于光載波同源自相關(guān)和各光通道全同步模型，提出寬帶高相干性種子光源機制。針對 非相干接收無法滿足 3U 光傳輸要求、相干接收本振 (相技術(shù) 過于 復(fù)雜，難以實現(xiàn) （比如光載波頻率為百 的難題， 本項目建立隨路雙波長傳輸、遠端非本振相關(guān)接收理論，通過 3實現(xiàn) 3礎(chǔ)理論和方法的突破；對全光信息處理有重要借鑒意義 。 5. 3本項目在全相關(guān)種子光源，自相關(guān)接收，多階色 散均衡和非線性協(xié)同適變等創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，建立 3U 光傳輸?shù)捏w系架構(gòu)，有效解決現(xiàn)有密集波分復(fù)用系統(tǒng)中難以克服的高譜效率、多階色散和非線性等難題，實現(xiàn) 160 100Gb/s 2000 公里的 3U 光傳輸基礎(chǔ)理論驗證系統(tǒng)，完成對以上主要創(chuàng)新理論和方法的驗證。 本項目的 特色 將表現(xiàn)在以下幾個方面： 1. 著重解決光通信發(fā)展的瓶頸問題和 重大基礎(chǔ)理論問題 。 2. 主攻方向上形成具有國際影響力的源頭創(chuàng)新成果和知識產(chǎn)權(quán)，符合國家信息基礎(chǔ)設(shè)施的戰(zhàn)略需求。 5年后力爭在理論研究方面取得原創(chuàng)性成果和核心知識產(chǎn)權(quán)。 3. 由轉(zhuǎn)制院所（央企） 牽頭，探求以企業(yè)為主體的產(chǎn)學(xué)研用相結(jié)合的創(chuàng)新模式，為課題成果的發(fā)展應(yīng)用提供快速和有效途徑。 4. 實現(xiàn) 160 100Gb/s 2000公里的 3U 光傳輸基礎(chǔ)理論 驗證系統(tǒng)，完成對以上主要創(chuàng)新理論的驗證，為理論研究成果轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實生產(chǎn)力提供有力支撐 。 5. 匯集一批創(chuàng)新型歸國優(yōu)秀人才。 行性分析 1. 研究需求迫切。信息量的爆炸性持續(xù)增長使得未來光纖通信網(wǎng)絡(luò)對傳輸速率、頻譜效率、動態(tài)可重構(gòu)性等方面需求日益迫切。采用具有頻譜利用率高、色散容忍度高、系統(tǒng)兼容性強的以太網(wǎng)新型相關(guān)通信是構(gòu)筑 100Gb/s 新一代 超高速光通信網(wǎng)絡(luò)最有前景的技術(shù)。 2. 研究目標明確。本項目設(shè)定的研究目標源于對光纖通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展演變的深刻認識，依據(jù)新型 100Gb/立超高速光傳輸系統(tǒng)的理論、方法和技術(shù)體系，提出關(guān)鍵技術(shù)方案，實現(xiàn)光纖通信網(wǎng)絡(luò) 光譜利用高效化、傳輸距離超長化、網(wǎng)絡(luò)干線高速化、信號管理動態(tài)化 的目標。 3. 研究思路清晰。本項目以國家信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的戰(zhàn)略需求為牽引，緊密圍繞三個關(guān)鍵科學(xué)問題和五項研究內(nèi)容，在 160 100Gb/s 長距離光傳輸系統(tǒng)架構(gòu)與實驗驗證、自相關(guān)光源、光發(fā)射 /接收理論、參量放大 、精密色散管理和非線性抑制方法等方面開展研究工作，建立 160 100Gb/s 2000 公里的 3U 光傳輸基礎(chǔ)理論驗證系統(tǒng) ，奠定我國在高速、高譜效率、大容量光纖通信系統(tǒng)的良好理論基礎(chǔ)，研究思路明確清晰。 4. 研究基礎(chǔ)雄厚。項目申請單位在光通信相關(guān)領(lǐng)域具有很好的研究基礎(chǔ)，取得了一系列研究成果，積累了豐富的研究經(jīng)驗；完成和承擔了國家自然科學(xué)基金重大研究計劃、國家自然科學(xué)基金重點項目、 863重點項目、教育部重大專項等一批重要項目，取得了豐碩的研究結(jié)果，具備完成本項目研究的基礎(chǔ)和能力。 5. 研究條件具備。本項目的主 要承擔單位均是國內(nèi)知名的高水平大學(xué)和研究機構(gòu)，共擁有 1個國家實驗室和多個國家、教育部重點實驗室及國家級重點學(xué)科，各承擔單位都具有先進的儀器設(shè)備和良好的實驗環(huán)境，具備建立 160100Gb/s 2000公里的 3基礎(chǔ)條件。 6. 研究隊伍優(yōu)秀。本課題由青年科學(xué)家擔任首席科學(xué)家，學(xué)術(shù)骨干由多位在國內(nèi)外具有相當研究實力的中青年專家和一批具有博士學(xué)位的青年學(xué)者組成，整個研究隊伍年齡結(jié)構(gòu)合理、學(xué)術(shù)水平高。 題設(shè)置 各課題間相互關(guān)系 本項目的課題設(shè)置將圍繞項目的總體目標，針對三個關(guān) 鍵科學(xué)問題和五項重點研究內(nèi)容，結(jié)合參加研究單位的優(yōu)勢與特點，進行有機分解，各個課題分工明確，既具有獨立性，又相輔相成、互相支撐，共同推進項目的進展。 本項目具體分解為以下五個課題 : （ 1） 160 100 （ 2）全光多波長自相關(guān)光源及非本振相關(guān)接收； （ 3）高譜效率的光編碼和光調(diào)制； （ 4）高增益、寬帶寬、高平坦度、超低噪聲的參量放大； （ 5）超高速光傳輸非線性抑制與高精度色散管理。 每個課題設(shè) 1名課題負責人，協(xié)助項目首席科學(xué)家進行課題的管理和各課題間及課題參加單位 間的協(xié)調(diào)。各課題分別設(shè)定其主攻方向，但相輔相成，通過共同攻關(guān)，實現(xiàn)項目的總體目標。其中，課題 1和課題 2解決高速光傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與統(tǒng)一光源的問題，是后續(xù)研究課題的基礎(chǔ)；課題 3光信息處理、高精度色散管理、非線性效應(yīng)和損耗抑制問題；課題 2 5的研究成果又為課題 1開展超高速光傳輸驗證系統(tǒng)研究奠定理論與技術(shù)基礎(chǔ)。課題間的關(guān)系如圖 1所示。 復(fù) 雜 光 纖 色 散 與 多 階 均 衡 問 題3 U 基 礎(chǔ) 理 論 及 方 法 研 究1 6 0 1 0 0 G b / s 超 長 距 離 光 傳 輸 的 理 論 和 實 驗 驗 證高 譜 效 率 的 途 徑 、 機 理 與 容 量 限 問 題光 纖 非 線 性 動 態(tài) 協(xié) 同 適 變 性 問 題高 譜 效 率 的 光 編 碼 和 光 調(diào) 制超 高 速 光 傳 輸 非 線 性 抑 制 與 高 精 度 色 散 管 理高 增 益 、 寬 帶 寬 、 高 平 坦 度 、 超 低 噪 聲 的 參 量 放 大全 光 多 波 長 自 相 關(guān) 光 源 及 非 本 振 相 關(guān) 接 收關(guān) 鍵 科 學(xué) 問 題課 題 設(shè) 置 關(guān) 系總 體 目 標5 個 子 課 題圖 1 課題設(shè)置關(guān)系 課題 1、 160 100s 超長距離光傳輸?shù)睦碚摵蛯嶒烌炞C 預(yù) 期目標： 建立基于先進調(diào)制格式和編碼的相關(guān)通信理論分析模型； 揭示香農(nóng)定理在超高速光通信中的普適性規(guī)律，解決傳統(tǒng)光通信系統(tǒng)與香農(nóng)定理的容量限和規(guī)律性問題； 設(shè)計超高速光傳輸?shù)捏w系結(jié)構(gòu)，提出解決關(guān)鍵技術(shù)問題的思路； 完成一套 160 100Gb/成 2000 研究內(nèi)容： 課題設(shè)置思路： 該課題的設(shè)置以實現(xiàn) 160 100Gb/s 2000 公里的 3U 光傳輸基礎(chǔ)理論驗證系統(tǒng) 為目標，圍繞光傳輸?shù)幕A(chǔ)理論展開，以其他課題為支撐，研究超高速光傳輸系統(tǒng)所需的理論模型和方法，實現(xiàn)超高 速光傳輸系統(tǒng)的高效化、長距化和動態(tài)化。 研究內(nèi)容： 建立超高速光傳輸系統(tǒng)的理論模型，對 3 完成超高速光傳輸?shù)捏w系結(jié)構(gòu)設(shè)計，構(gòu)建 160 100Gb/s 2000 公里的 3驗平臺； 設(shè)計并驗證系統(tǒng)方案，檢驗超高速光傳輸演示系統(tǒng)的性能。 經(jīng)費比例： 40% 承擔單位： 武漢郵電科學(xué)研究院 課題負責人： 余少華 學(xué)術(shù)骨干： 薛道均 、 王之光 、 蔡鳴 、 胡安琪 、 章燦輝 、 丹亞 、 計世榮 、 曹芳 、 楊現(xiàn)文 、 王文敏 、 鄭彥升 課題 2、全光多波長自相關(guān)光源及非本振相關(guān)接收 預(yù)期目標： 提出多 波長超低相位噪聲全通道自相關(guān)光源的理論模型和實現(xiàn)方法； 實現(xiàn)超窄帶梳狀濾波精密合波技術(shù)； 研制出多波長超低相位噪聲全通道自相關(guān)光源，實現(xiàn)多通道非本振相關(guān)接收，其主要技術(shù)指標：自相關(guān)光源輸出歸零光脈沖的消光比： 30160個通道，每個通道有兩個相干子歸零波；每個通道的時鐘或 不同光通道的時鐘可以成相同或成倍數(shù)關(guān)系。 研究內(nèi)容： 課題設(shè)置思路： 采用傳統(tǒng)光源的 線性相互作用非相關(guān)，導(dǎo)致非線性效應(yīng)難以抑制；非相干接收無法滿足 3U 系統(tǒng)的 要求，而相干接收中的本振鎖相技術(shù)復(fù)雜，難以實現(xiàn)。該 課題針對上述 3U 光傳輸系統(tǒng)中光源問題，圍繞其產(chǎn)生機理及實現(xiàn)方法、所產(chǎn)生相干信號在系統(tǒng)中傳輸及非本振相關(guān)接收等關(guān)鍵問題，具體研究多波長、自相關(guān)、相位噪聲超低的信號產(chǎn)生及精密合波理論和實現(xiàn)方法；研究多通道自相關(guān)雙波長傳輸過程中信號非線性損耗消除問題；研究相關(guān)接收過程中非本振相關(guān)的具體實現(xiàn)方法。 主要研究內(nèi)容： 基于多波長光源精密合波技術(shù)的全波段自相關(guān)光源的理論與方法研究； 多波長超低相位噪聲光源的機理研究； 超窄帶梳狀濾波精密合波技術(shù)研究； 多通道自相關(guān)雙波長 傳輸特性研究； 非本振相關(guān)接收理論和實現(xiàn)方法研究。 經(jīng)費比例： 15% 承擔單位： 華中科技大學(xué) 課題負責人： 黃本雄 、嚴敏 學(xué)術(shù)骨干： 柯昌劍 、 聶明局 、 張帆 、 胡海 、 劉武 、 楊克城 、 夏珉 、 楊彩虹 課題 3、高譜效率的光編碼和光調(diào)制 預(yù)期目標： 提出高效編碼調(diào)制新方案，實現(xiàn) 基于 q 元 的編碼調(diào)制和疊加編碼調(diào)制 ，調(diào)制速率達到 100Gb/s； 實現(xiàn)基于全光 建立完整有效的超正交調(diào)制模型， 用以解決光頻譜效率和降低符號(率的問題 ； 實現(xiàn)具有超高譜效率相位 平滑多進制光調(diào)制的新方法； 基于映射原理與全光傅立葉變換的編解碼理論，構(gòu)建全光 調(diào)制、解調(diào)模型，設(shè)計并實現(xiàn)基于 由上述元件實現(xiàn)的全光 術(shù)的具體指標如下：全光 片和器件：支持調(diào)制格式： z；調(diào)制速率從 10Gb/s 40Gb/s 100Gb/s；正交的子載波波長滿足 議的 C 波段波長；輸出光功率達到 0基于 q 元，調(diào)制速率達到 100Gb/s。 研究內(nèi)容： 課題設(shè)置思路： 為了充分利用頻率資源，有效地抵抗多階光調(diào)制中的交叉串擾，突破 3U 系統(tǒng)信道容量限，降低信道中非線性效應(yīng)的影響，避免星座空間利用率受非線性效應(yīng)制約，實現(xiàn)全光、高譜效率的光發(fā)射與接收，高效光編碼和高階光調(diào)制技術(shù)是其關(guān)鍵攻關(guān)課題。針對上述科學(xué)問題，研究 100Gb/s 速率前向糾錯編碼（ 碼理論，提出實用的碼字結(jié)構(gòu)方案，結(jié)合超正交光調(diào)制和全光 制格式，實現(xiàn)具有上述功能的光發(fā)射和接收。 研究內(nèi)容： 研究高頻譜效率的超正交光調(diào)制格式，探索具有高譜效率相位平滑多進制、光調(diào) 制解調(diào)的新方法； 研究超高速 碼理論及其對光信號性能的影響機制； 基于量子極限探測理論和光傳輸系統(tǒng)建模方法，研究系統(tǒng)容量極限問題； 研究光信道和發(fā)射接收端的準線性近似、非線性預(yù)補償和相干接收等機理，建立光發(fā)射 /接收的有效模型； 準線性調(diào)制器件與多階調(diào)制解調(diào)新方法； 研究全光正交頻分復(fù)用（ 術(shù)的實現(xiàn)； 研究基于 光 集成化調(diào)制解調(diào)器。 經(jīng)費比例： 15% 承擔單位： 復(fù)旦大學(xué)、西安電子科技大學(xué) 課題負責人： 遲楠、文愛軍 學(xué)術(shù)骨干： 邵宇豐、卞正才、石藝尉、倪衛(wèi) 明、侯群、車書玲、尚韜、賀玉成 課題 4、高增益、寬帶寬、高平坦度、超低噪聲的參量放大 預(yù)期目標： 實現(xiàn)高增益、大帶寬、高度平坦、帶寬和窗口均可動態(tài)配置的光參量放大器，其系統(tǒng)性能優(yōu)于現(xiàn)有水平：增益 40寬 200益平坦度 1 實現(xiàn)基于 波長無偏移、響應(yīng)時間短、對速率透明的 3R 再生； 實現(xiàn)接近量子極限超低噪聲光參量放大器； 實現(xiàn)基于 研究內(nèi)容： 課題設(shè)置思路： 現(xiàn)有的光放大器無法滿足 3U 系統(tǒng)要求的 高增益、寬帶寬、低噪聲指數(shù)的指標。本課題的設(shè)置以抑制信號劣化為目的，圍繞光纖參量放大器的飽和增益、增益平坦化、帶寬、最佳光纖長度、噪聲抑制和全光再生應(yīng)用等方面進行深入的理論和實驗研究，實現(xiàn)高增益、大帶寬、高度平坦、帶寬和窗口均可動態(tài)配置的光參量放大器；研究相位敏感型 現(xiàn)相位再生和光放大；利用恢復(fù)時鐘調(diào)制的泵浦，基于 現(xiàn)全光多通道 3 研究內(nèi)容： 接近量子極限超低噪聲光放大機理； 基于相位選擇性的再生機理與光放大方法； 帶寬和窗口均可動態(tài)配置參量放大器理論研究與實現(xiàn)方法； 全光多通道 信號 3 經(jīng)費比例： 15% 承擔單位： 北京郵電大學(xué) 課題負責人： 張小頻、忻向軍 學(xué)術(shù)骨干： 王葵如、 王擁軍 、張琦、趙同剛、馬健新、趙曉紅、沈樹群 課題 5、超高速光傳輸非線性抑制與高精度色散管理 預(yù)期目標： 實現(xiàn)高速光傳輸非線性機理建模，提出有效抑制非線性的方法；實現(xiàn)高速光傳輸復(fù)雜色散精密測量與精密補償管理，主要技術(shù)指標： 160個通道色散管理精度小于 10ps/階色散補償，精確管理通道剩余色散及斜率。 研究內(nèi)容： 課題設(shè)置思路： 因工藝、類型、距離、時間等多維度動態(tài)變化，色散變化復(fù)雜 ，現(xiàn)有的色散補償方法殘余色散高達 50ps/通道），難以滿足 3一方面360個通道間相互作用，非線性效應(yīng)難以抑制。本課題針對上述問題，以實現(xiàn)信號傳輸過程中非線性和色散的協(xié)同動態(tài)補償為目的，圍繞非線性和色散的產(chǎn)生機理、相互作用和轉(zhuǎn)化機制，研究在超高速光傳輸系統(tǒng)中非線性影響與傳統(tǒng)光傳輸系統(tǒng)的不同特性，對超高速光纖單信道帶內(nèi) /多信道帶內(nèi)外的混合非線性機理建模，并分析超高速超密集波分系統(tǒng)中色散與非線性相互作用及轉(zhuǎn)化機制，實現(xiàn)非線性與色散的動態(tài)協(xié)同補償；深入分析色度色散和偏振模色散的產(chǎn)生機理，實現(xiàn)超高速光傳輸高階（ 4階）色散補償、精確色散管理理論及高精度色散的精確測量方法；基于超效編碼研究偏振模色散管理的方法。 主要研究內(nèi)容： 研究超高速光纖單信道帶內(nèi) /多信道帶內(nèi)外的混合非線性機理，研究超高速超密集波分系統(tǒng)中色散與非線性相互作用及轉(zhuǎn)化機制； 研究光信號 (全同步 )非線性非對稱碰撞、色度色散控制及其協(xié)同管理； 研究相位調(diào)制誘導(dǎo)幅度抖動的非線性作用機理及抑制方法； 研究超高速光傳輸高階（ 4 階）色散機理，精確管理理論及高精度色散的精確測量方法； 研究基于超效編碼補償偏振模色散機理與偏振模色散管理 方法。 經(jīng)費比例： 15% 承擔單位： 華中科技大學(xué) 課題負責人： 曹祥東 學(xué)術(shù)骨干： 李蔚 、 劉海榮 、 徐爭光 、 崔晟 、 王懌 、 劉小英 、 殷蔚華 、 徐書華 四、年度計劃 年度計劃內(nèi)容和目標 第 一 年