随着移动互联网、云计算、元宇宙等应用的快速发展,数据中心面临爆炸式的流量增长,短距场景下的传输容量提升成为重点研究方向。由于成本和功耗的限制,长期以来数据中心短距光传输系统主要采用强度调制直接探测（IMDD）方案。离散多音调制（DMT）技术作为直检方案的一种具有高频谱效率和信道自适应等优点,但其用于数据中心互连传输也面临着高的峰均功率比（PAPR）和器件非线性效应等挑战。基于多芯光纤（MCF）的空分复用（SDM）技术与DMT结合能够成倍地增加数据中心互连的端口密度和传输容量,但是实际应用中芯间串扰（ICXT）的随机波动会显著影响直检DMT系统的性能,发展与传输一体化的芯间串扰监测技术刻不容缓。另一方面,随着流量需求的增长以及器件带宽的限制,IMDD方案难以满足单波200Gb/s以上的传输速率,高灵敏度高频谱效率的相干光传输技术下沉到数据中心短距互联场景也受到广泛关注,但如何能在保持相干光通信频谱效率的前提下显著降低数字信号处理复杂度则困难重重。论文针对以上挑战,开展了短距大容量数据中心光互连传输技术研究,主要研究内容与创新性成果包括:（1）介绍了完整的DMT传输系统理论模型。针对IMDD系统信号功率受限的场景,提出一种DMT信号训练序列功率优化的方案,并采用仿真与实验验证,在20G波特率16-正交幅度调制（QAM）调制格式信号传输25.2 km标准单模光纤（SSMF）之后实现了0.8 d B的接收光功率（ROP）灵敏度的提升。（2）研究了预编码矩阵对DMT频域符号的影响,发现了预编码会使得DMT的时域信号与频域符号之间存在高相关性,使得恢复出的频域符号反映链路中器件非线性对时域信号的影响。在此基础上引入噪声相对强度系数（NRR）和误符号率（SER）用以评价引入的非线性噪声分布程度。在预编码的DMT系统中引入概率星座图整形（PCS）以及几何整形（GS）,通过仿真与实验验证,相对于未采用星座图整形方案的DMT系统分别实现了2～4 d B和0.8～0.9 d B的ROP灵敏度提升。（3）针对多芯光纤传输系统难以在信号传输的同时实时监测芯间串扰（ICXT）,提出一种基于预编码DMT符号的MCF串扰监测方案,实现在信号传输的同时对分布在信号带宽内的芯间串扰大小进行微秒量级的监测。另外分析了监测串扰值与系统误码率（BER）之间存在的对应关系,提出一种基于监测到的芯间串扰大小进行系统性能评估的方案,实现监测芯间串扰结果对系统传输性能的预警。（4）针对自零差相干探测系统本振光（LO）功率与偏振衰落问题,提出发端扰偏收端注入锁定自零差相干探测结构。在接收端恢复出功率稳定、偏振态确定、频率与相位与信号光载波一致的优良本振光。以该本振光进行自零差相干探测,通过实验验证,在接收端数字信号处理时无需频偏恢复（FOE）、无需昂贵的窄线宽激光器作为本振光源也能在背靠背场景下以-27 d Bm的ROP实现50 G波特率双偏16-QAM的信号传输。