全光奈奎斯特信号传输研究获进展

　　复旦大学信息学院通信系、复旦大学电磁波信息科学教育部重点实验室张俊文博士，“国家****”余建军教授和迟楠教授等人的论文《基于Sinc奈奎斯特脉冲产生的偏振复用全光奈奎斯特信号的传输与全通带相干探测》(Transmission and full-band coherent detection of polarization-multiplexed all-optical Nyquist signals generated by Sinc-shaped Nyquist pulses)在自然出版集团旗下期刊《科学报告》(Scientific Reports)上发表。

　　这一重要成果是继2014年该研究团队首次成功实现了全光Nyquist信号的完整产生与相干探测后，在该领域的再一次突破。2014年8月，该研究团队在《自然·科学报告》发表的《高速全光奈奎斯特信号的产生于全带宽相干探测》(High Speed All Optical Nyquist Signal Generation and Full-band Coherent Detection)论文，开启了超高速全光全光信号处理和传输网络的研究。在上述成果的基础上，该研究团队实现了偏振复用全光奈奎斯特信号的长距离传输，并首次成功实现了1Tb/s全光奈奎斯特信号全通带相干探测。

　　近年来，随着高清互联网电视、多媒体、物联网、智能手机、云计算和社交媒体等新业务的迅猛发展，人们对网络带宽或者说“网速”的要求不断增加，通信传输速率和互联网的数据流量一直处于爆炸式增长中，这对作为整个通信系统基础的物理层——光传输网提出了更高的传输性能要求。据统计，目前全球已有75亿移动电话用户和超过30亿互联网用户，其底层骨干网络均建立在光纤通信基础上。光纤通信具有极大的宽带传输能力，而我国信息量的97%以上是通过光纤来传送的，从核心骨干网，到城域网、光网络交换节点，再到数据中心光互连、城市光纤接入网甚至光纤无线融合接入网，光纤通信网络已成为国家信息建设的基础设施，以及信息传输和交换不可替代的承载平台。据统计，从1990年到2014年，全球光通信容量增加了600~700的倍，光通信传输能力十年增加千倍。全球范围内，预计2015～2018年，全球互联网都将维持年均30~60%以上的流量增速，到2030年，将会有超过1万亿台的设备连入互联网，作为互联网和通信网基础的光传输网络将不断面临承载海量数据的压力，网络扩容已经势在必行。

　　在这样的背景下，超高速超大容量与高谱效率光信号的产生受到了国内外的广泛关注。而通常，单个收发机所能达到的速率和效率往往决定了整个系统的成本和功耗。集成的高速收发设备，能将系统成本和功耗降到最低，因此世界各国及各大通讯巨头都在研究如何在一定的带宽范围内不断提高单个收发设备的传输速率。奈奎斯特信号具有理论最小的信号带宽，相当于把一定的信号压缩在满足无损传输的最小信道窗口以内。通常，奈奎斯特信号需要利用高速模数转换电子器件实现，然而这种电信号受到电子器件带宽的限制，很难实现高速信号的产生。全光信号处理能突破电子器件的带宽限制而极大的提高信号产生与处理速率，全光奈奎斯特信号既能实现高速信号产生，又能保证高频谱效率，具有极大的应用前景，因此全光奈奎斯特信号的产生与探测受到国内外的广泛关注。该研究成果的意义在于通过有效的提高单个收发设备速率的方式来增加光传送网络的传送容量，以解决网络通信流量爆炸式增长带来的骨干传输网拥堵问题。如果考虑语音通信，这相当于一个光波就能支持1200万对人同时电话;而以家庭用户所使用的信号流量10Mb/s为例，对于1Tb/s骨干传输速率，则一个光波就可支持最大用户10万户，而如果继续考虑通常光纤线路里面40路光波长，则通过一根头发丝大小的光纤就能实现40T通信，即同时支持400万户了。

　　奈奎斯特脉冲信号可以用非常经典的时频变换特性。在时间轴上，奈奎斯特脉冲信号是一串无限延展的信号，因此很难通过数字滤波的方式产生这种完美的波形。然而，在频率轴上它又演变为简单的像梳子一样的有限的频率点。复旦大学研究团队利用全光梳妆谱，通过奈奎斯特信号的时频转换特性，先在频域进行滤波得到完美的周期脉冲后，再在时域进行正交复用;在接收机端，通过全通带相干探测得到信号的完整信息后，利用所提出的先进信号处理算法，实现脉冲信号的分离、均衡与重建。通过这一方法，相继成功实现首个真正意义上的全光Nyquist信号相干通信系统探测，成功实现了偏振复用的全光奈奎斯特信号的产生、长距离传输和全通带相干检测，并创纪录的实现了单通道1Tb/s的全光Nyquist 16QAM信号产生与探测。