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复杂调制格式的光信号处理是下一代光网络向光层智能化发展的重要支撑技术之一,有助于实现光接入与光交换中的带宽灵活分配、频谱资源冲突解决、频谱利用率和速率提升等。例如,在波分复用无源光网络(WDM-PON)和正交频分复用PON(OFDM-PON)中,基于反射型半导体光放大器(RSO A)等非线性介质的复杂调制信号处理技术可以实现光网络单元(ONU)的无色化,提高新型PON的灵活性和资源利用率。再如,在交换粒度更小更灵活的弹性光交换中,复杂调制信号的处理技术有助于实现带宽调整、调制复用、噪声抑制、冲突解决等功能,促使弹性光交换向无色、无向、无阻塞、无栅格的目标演进。目前,复杂调制格式光信号处理技术是光接入和光交换领域的研究热点之一。围绕光接入与光交换中调制格式变换等光信号处理技术难题,作者结合所参与的国家863计划课题、国家自然科学基金、教育部博士点基金项目等研究工作,基于半导体光放大器(SOA)及高非线性光纤(HNLF)等介质中的非线性效应,提出了复杂调制格式光信号处理的若干技术方案,并进行了理论分析和实验验证。论文的主要创新工作如下：(1)针对基于RSOA无色ONU的上行链路速率受限的问题,设计了将四电平脉冲幅度调制(4PAM)作为上行调制格式的无色ONU方案。仿真和实验结果表明,相比于上行为NRZ信号的WDM-PON系统,该方案在速率为5Gbit/s,相同传输距离时,同一接收光功率下的误码率可降低约两个量级。(2)为加强光接入网的安全性,提出了基于SOA FWM效应的8PSK信号光层加密/解密方案。仿真结果表明,该方案可以实现30Gbit/s8PSK信号的加密/解密。利用穷举法破解密钥时,加密安全性与密钥长度有关,相比GPON中AES的128比特密钥长度,该方案密钥长度为2-1比特,提高了加密的安全性。(3)针对复杂调制信号在接入、传输和交换过程中受幅度噪声、相位噪声及频谱偏移影响而导致信号质量恶化的问题,建立了复杂调制信号的非线性相位噪声理论分析模型,提出了一种基于SOA交叉相位调制(XPM)效应的QPSK信号相位噪声抑制方案,仿真结果表明,该方案可有效地抑制QPSK信号的相位噪声,将功率代价降低2.3dB左右。(4)针对弹性光交换中自适应带宽调整等需求,提出了一种基于对称式高非线性环(S-HNLF-L)FWM效应的并行四路QPSK信号到双相移相键控(BPSK)信号的格式变换方案,仿真结果表明,一路40Gbit/s QPSK信号转换为两路20Gbit/s的BPSK信号后,BPSK的接收灵敏度提高了3dB左右。同时,论文提出了一种基于SOA FWM效应的16QAM到QPSK调制格式变换方案,通过仿真验证了该方案的可行性。(5)为了提高弹性光网络的频谱资源利用率,提出了一种基于半导体光放大器-马赫曾德尔干涉仪(SOA-MZI)中XPM效应的二进制开关键控(OOK)信号到QPSK信号及16QAM信号的调制复用方案,仿真结果表明,经过调制复用后QPSK及16QAM信号的谱效率分别提高了两倍和四倍。