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光正交频分复用(OFDM)技术以其高频率效率、极强的色度色散(CD)和偏振模色散(PMD)容忍性、卓越的高阶调制扩展能力等优势受到了光纤通信领域的广泛关注。光OFDM技术易于与诸如偏振复用(PDM)、波分复用(WDM)等当前光纤通信技术相结合,随着数字信号处理(DSP)技术的快速发展,光OFDM技术在短距离和长途光纤通信系统中具有巨大的应用潜力。本文分析和研究光OFDM技术在低成本的数据中心多模光纤(MMF)通信系统、基于自注入反射半导体光放大器(RSOA)的无源光网络(PON)系统以及高速长途骨干单模光纤(SMF)通信系统中的应用。对光OFDM技术应用于上述光纤通信系统中所面临的若干问题提出了相应的设计和解决方法,进行了实验验证和计算机仿真分析。主要创新工作内容概括如下:1.提出利用双带强度调制直接探测光OFDM(IMDD-OOFDM)技术实现数据中心光互连中基于直接调制垂直腔面发射激光器(VCSEL)的MMF系统传输容量升级。在实验上利用3dB调制带宽仅为2.2GHz的无温控的自由运行VCSEL成功实现了16.375Gb/s的实时双带OOFDM信号在OM2光纤中传输200m,并对基于直接调制VCSEL的双带IMDD-OOFDM系统的传输容量鲁棒性进行详细的实验研究。2.提出一种新的双RSOA自注入结构来降低传统自注入RSOA PON系统中光信号的相对强度噪声(RIN)和腔内剩余强度调制串话。在此基础上,利用两个3dB调制带宽仅为1GHz的低成本RSOA和开发的实时OFDM发射机设计出了首个基于自注入RSOA的实时OOFDM发射机,并对该发射机的各种动态性能特性进行研究。实验实现了基于自注入RSOA的10Gb/s@25km IMDD-OOFDM系统,并且获得仅为0.6dB的光功率代价。3.利用基于双RSOA自注入的10Gb/s@25km IMDD-OOFDM系统,实验研究了积累的腔内色散对基于自注入RSOA的PON系统性能的影响。实验结果表明,光纤腔内色散对系统性能导致了以下影响:1)显著展宽输出光信号的光谱;2)增大自注入光纤腔输出光信号的RIN;3)导致系统光功率代价的上升。因而,光纤腔内积累的色散是限制基于自注入RSOA的IMDD-OOFDM PON系统性能的重要物理机理。4.提出一种基于相位调制解调的恒包络相干光OFDM(CO-OFDM)系统,使得发射光信号的峰均功率比(PAPR)获得显著下降,从而提高了CO-OFDM技术应用于长途光纤通信系统中的光纤非线性容限。仿真结果表明,与传统CO-OFDM系统相比,恒包络CO-OFDM系统在具有不同色散管理的标准SMF(SSMF)链路中的系统最大发射光功率获得显著提高。5.提出一种基于DSP和RF导频的联合光纤非线性相位噪声补偿方法,用以降低CO-OFDM系统应用于升级采用非归零-通断键控(NRZ-OOK)调制技术的WDM系统时所面临的极为严重的非线性相位噪声影响。仿真结果表明,该方法能有效补偿信道内自相位调制(SPM)和邻近NRZ-OOK信道产生的交叉相位调制(XPM)效应导致的非线性损伤。此外,通过仿真研究了光纤非线性效应对112Gb/s PDM-CO-OFDM系统带内串话光信噪比(OSNR)代价的影响。该研究为工作在非线性区域的CO-OFDM系统应用于100G全光网络提供了系统OSNR预算参考。6.提出利用双臂马赫-曾德尔调制器(MZM)作为光梳生成器实现多带CO-OFDM传输的方法,在仿真中验证了包含16个PDM OFDM频带的1Tb/s CO-OFDM系统,并对传输性能进行分析。进而证实了采用双臂MZM光梳生成器实现宽带CO-OFDM传输的可行性。此外,分析了基于重叠频域均衡(OFDE)的低循环前缀(CP)开销CO-OFDM系统中OFDM接收机对重叠点数的要求,并通过实验研究重叠点数对系统传输性能的影响,进而利用合理的重叠点数设计成功实现80.4Gb/s低CP开销的CO-OFDM信号在无色散补偿SSMF中传输5440km。