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近年来，随着5G商用和数据中心应用的推动，高速短距离光纤传输系统引起了人们的广泛兴趣。为了满足短距离高速光通信需求，传统IMDD方案受到了前所未有的挑战，电子和光电器件的带宽以及调制格式、编码和数字信号处理（Digital Signal Processing,DSP）技术的性能都已发展到极限。在此背景下，学术界和工业界取得了一些技术突破，包括宽带器件的发展、新型调制格式和编码以及高性能的DSP算法。在中短距离应用中，高速IMDD系统成本、功耗和封装尺寸仍然具有优势。下面将从高速数据中心光互连和接入网两个方面，介绍国内外学术界和工业界在高速短距离光纤通信系统中的重要研究工作与发展趋势。
（1）国外研究现状
在高速数据中心光互连方面，为了满足未来数据中心大容量需求，国外企业、高校和科研机构在宽带器件、调制格式、新型编码和数字信号处理等方面展开了研究。
在宽带宽器件方面，高速模数转换器（Analog to Digital Converter,ADC）和调制器都得到了广泛研究。在过去的几年中，将单通道波特率提高到超过100GBaud一直是研究重点，这种运行方式肯定会超出最先进的商用数模转换器（Digital to Analog Converter,DAC）和ADC的能力（3dB带宽20～30GHz），跨阻放大器（Trans-Impedance Amplifier,TIA）（3dB带宽30～40GHz）以及电光调制器（3dB带宽40～50GHz）。2017年，美国诺基亚贝尔实验室Chen等 [3] 展示了基于数字频带复用的100GHz 带宽240GSa/s 采样率的 DAC，生成了高达380Gbit/s 的190GBaud PAM2和PAM4，是当年全电方式生成的较高的符号速率；同年，比利时根特大学在200mm硅光平台集成了GeSi电吸收调制器（Electric Absorption Modulator,EAM）和SiGeBiCMOS发射机和接收机芯片组，实现了100Gbit/s 非归零开关键控（Non-Return to Zero On-Off Keying, NRZ-OOK）传输500m标准单模光纤（Standard Single Mode Fiber,SSMF）和2km色散补偿光纤（Dispersion Compensating Fiber,DCF） [4] ;2018年，德国卡尔斯鲁厄理工学院首次使用硅有机混合马赫曾德尔调制器（Mach-Zehnder Modulator,MZM）演示了在仅1.4Vpp（Peak-to-Peak Voltage）的创纪录的低驱动电压和仅98fJ/bit 能耗下产生和传输100Gbit/s 开关键控（On-Off Keying,OOK）信号 [5] ；瑞士苏黎世联邦理工大学在2017年展示了采用有机电光材料设计的75MHz～170GHz具有平坦电光响应的等离激元调制器，实现了100GBaud非归零（Non-Return to Zero,NRZ）码和60GBaud PAM4的调制，有潜力应用在下一代光互连中 [6] ;2018年，德国弗朗霍夫海因里希赫兹研究所设计开发了基于磷化铟（InP）的44GHz 带宽分布式反馈（Distribute Feedback,DFB）激光器-MZM 单片集成光发射模块，利用40GHz 带宽100GSa/s 采样率的BiCMOS DAC产生100GBaud NRZ码、PAM4和PAM8电驱动信号，在C波段验证了100Gbit/s NRZ码和200Gbit/s PAM4分别传输1.8km和1.2km SSMF [7] ；同年，日本NTT（Nippon Telegraph and Telephone）报告了用于100GBaud级的基于InP的IQ调制器，具有超过3dB 67GHz带宽和超过60GHz 的增益响应，调制产生了112GBaud 16正交振幅调制（Quadrature Amplitude Modulation,QAM）和120GBaud正交相移键控（Quadrature Phase Shift Keying,QPSK）光信号 [8] ;2018年，法国诺基亚贝尔实验室基于InP的2∶1高速选择器和行波电吸收调制器（Traveling Wave Electro Absorption Modulator,TWEAM）实现了创纪录的符号速率204GBaud和140GBaud OOK分别传输超过10km和80km SSMF [9] 。
在调制格式方面，2018年，瑞典皇家理工学院利用C波段DFB激光器-TWEAM成功实现200Gbit/s比特和功率加载的离散多音频（Discrete Multi-Tone,DMT）调制信号传输1.6km SSMF，达到了4.93bit/(s.Hz)的有效电频谱效率 [10] ;2017年，日本NTT使用数字预处理模拟多路复用数模转换器（DP-AM-DAC）生成了总线速率为300Gbit/s的比特和功率加载DMT信号，通过实验在O波段成功传输了10km SSMF，实现了250Gbit/s净速率 [11] ;2019年，日本NTT使用超过100GHz的模拟多路复用器（Analog Multiplexer,AMUX）和80GHz MZM，采用余量自适应位加载算法和非线性均衡算法，实现了净速率333Gbit/s DMT传输20km色散补偿的SSMF，是当前单波长和单偏振IMDD的较高传输纪录 [12] 。
在新型编码方面，2019年，德国诺基亚贝尔实验室Hu等 [13] 采用THP（Tomlinson- Harashima Precoding），在33GHz带宽受限的IMDD系统中传输74GBaud预编码PAM8，在2km的光纤链路上实现了185Gbit/s 净比特率；2017年，德国诺基亚贝尔实验室实验展示了基于概率整形（Probabilistic Shaping,PS）技术的 IMDD 系统，结果表明56GBaud 的 PS-PAM8可以达到0.16bit/Symbol，这对应于净比特率增加8.96Gbit/s，等效可以多传输135km SSMF [14] ;2019年，日本NTT通过使用由AMUX IC和InP MZM组成的集成发射机，实验演示了162GBaud PS-PAM16传输20km光纤，实现了高达400Gbit/s的净速率（总速率为516.7Gbit/s），这是使用紧凑型发射机通过单载波IMDD实现的400Gbit/s传输 [15] ;2017年，麦吉尔大学提出了基于新型斯托克斯矢量 KramersKronig 收发机的4D 调制，实现了在 C 波段无色散管理的60GBaud 偏振复用（Polarization Division Multiplexing,PDM）-16QAM信号传输80km光纤，实现了单波长400Gbit/s净比特率 [16] ；同年，麦吉尔大学演示了以84GBaud 符号速率运行的单载波直接检测收发器，采用新型调制格式每个符号提供5.5位和6位，实现462Gbit/s和504Gbit/s速率传输500m SSMF [17] ;2017年，麦吉尔大学在斯托克斯空间上提出了一种新颖的三维16QAM-PAM2编码调制，使用斯托克提矢量接收机实现了280Gbit/s信号传输320km光纤，该方案可以用于城域网或区域网络 [18] 。
在先进数字信号处理方面，2018年，韩国科学技术院提出并演示了一种基于人工神经网络（Artifical Neural Network,ANN）的机器学习算法的低复杂度非线性均衡器（Nonlinear Equalizer, NEL），用1310nm直接调制激光器（Directly Modulated Laser,DML）实现了20Gbit/s PAM4信号传输18km SSMF,ANN-NLE均衡器可以明显减小非线性影响 [19] ;2019年，日本NTT提出了一种基于三阶Volterra滤波器的非线性最大似然序列估计均衡器，基于该均衡器，使用只有3dB 20GHz 带宽的发射机，实现了创纪录的255Gbit/s PAM8传输，相比传统的前馈均衡器（Feed Forward Equalizer,FFE）有2.2dB性能提升 [20] ;2020年，美国佐治亚理工学院提出了一种基于卷积神经网络（Convolutional Neural Network,CNN）的发射机色散眼图闭合（Transmitter Dispersion Eye Closure,TDECQ）评估方法，相比传统方法，该方法从静态眼图估计TDECQ快1000倍，平均误差小于0.25dB [21] 。
（2）国内研究现状
国内华为技术有限公司（以下简称“华为”）和北京邮电大学、上海交通大学、华中科技大学、北京大学、复旦大学、中山大学等高校团队，在高速数据中心光互连领域取得了一系列成果。
2019年，华为德国研究中心提出了一种新型的3D PAM8调制方式，通过实验证明与PAM8相比，3D PAM8的误码率要小一个量级，最高实现了240Gbit/s传输速率 [22] ;2018年，华为德国研究中心使用商用器件，发射端没有使用任何 DSP，在1550nm 通过实验验证了背靠背传输210Gbit/s、225Gbit/s二进制PAM6信号 [23] ；同年，华为德国研究中心Zhang等 [24] 基于网格编码调制和非线性均衡算法，实现了创纪录的净数据速率200Gbit/s DMT 在硬判决前向纠错（Hard Decision Forward Error Correction,HD-FEC）门限上达到-12.8dBm灵敏度，传输0km、1km和2km SSMF后分别实现了250Gbit/s、244Gbit/s和216Gbit/s的最大速率。
北京大学基于硅光集成调制器和 KK（Kramers-Kronig）收发机演示了创纪录的传输实验， 2019年，使用具有3dB 22.5GHz 带宽的常规硅光行波马赫曾德尔调制器（Traveling Wave Mach-Zehnder Modulator,TW-MZM），通过实验分别演示了192Gbit/s PAM4和200Gbit/s PAM6信号传输1km SSMF以及背靠背传输192Gbit/s PAM8信号，这一成果作为美国光纤通讯展览会及研讨会（Optical Fiber Communication Conference,OFC）2019 PDP（Past-Deadline Paper）进行了大会报告 [25-26] ;2017年，基于奈奎斯特（Nyquist）16QAM半周期单边带副载波调制（Single Side Band Subcarrier Modulation,SSB-SCM）信号，实验演示了224Gbit/s（56GBaud×4bit）传输160km SSMF，净速率为203.4Gbit/s，这是首次使用单端光电二极管（Photodiode,PD）在C波段实现200Gbit/s城域网传输 [27] ；同年，在C波段演示了单信道112Gbit/s Nyquist 16QAM半周期SSB-SCM信号传输掺铒光纤放大器（Erbium-Doped Fiber Amplifier,EDFA）中继的960km SSMF [28] ;2016年，基于 Nyquist 64QAM 半周期 SSB-SCM 信号和16路波分复用，演示了高达1.728Tbit/s （16×108Gbit/s）传输80km SSMF，实现3.25 bit/(s·Hz)的频谱效率 [29] 。
2016年，华中科技大学Zhou等 [30] 通过实验在C波段使用18GHz DML演示了2×56Gbit/s PAM4信号传输100km SSMF，且没有使用光线路放大器，发射机侧的延迟干涉仪（Delayed Interferometer,DI）用于将传输距离从40km扩展到100km；在2017年，提出了一种线性和非线性损伤稀疏Volterra滤波器，使用O波段18Gbit/s级DML和掺镨光纤放大器（Praseodymium-Doped Fiber Amplifier,PDFA）演示了2×64Gbit/s PAM4信号传输70km SSMF [31] ;2019年，文献[32-33]提出了一种非线性判决反馈Volterra均衡器，使用4个O波段DML演示了384Gbit/s（4×96Gbit/s） PAM8信号无光放大器传输15km。
2018年，北京邮电大学Wan等 [34] 提出了一种基于ANN的非线性均衡器，基于该均衡器，在C波段实现了112Gbit/s SSB-PAM4传输80km SSMF；同年，Shu等 [35] 使用KK接收机和稀疏IQ Volterra滤波器，在960km SMMF上实验演示了单个PD 112Gbit/s 16QAM传输。
2020年，上海交通大学Fu等 [36] 提出了一种二维网格编码调制PAM8（2D-TCM-PAM8）调制格式和有效分段线性 Volterra 滤波器，使用20GHz 带宽 DML 通过实验实现了104Gbit/s 2D-TCM-PAM8信号传输10km SSMF;2019年，Fu等 [37] 提出了一种计算有效的分段线性均衡器，在C波段56Gbit/s和84Gbit/s的PAM4信号无色散补偿传输了40km和80km SSMF；同年，An等 [38] 提出了一种基于多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output,MIMO）ANN的非线性均衡器，实验验证了112Gbit/s SSB 16QAM信号传输120km SSMF。
2020年，中山大学Zou等 [39] 提出一种预啁啾技术，使用一个商用双驱动MZM（Dual-Drive MZM,DD-MZM）在C波段通过实验演示了100Gbit/s PAM6和PAM8信号传输10km SSMF;2019年，Li等 [40] 采用自适应FFE，在O波段基于10Gbit/s级DML实现了45GBaud PAM6信号传输40km SSMF;2019年，Li等 [41] 提出了离散傅里叶变换扩展频谱有效的频分复用传输系统，实验验证了在 C 波段净速率100Gbit/s 传输2km SSMF，该方案能有效降低 IMDD 系统峰均比（Peak to Average Power Ratio,PAPR）。
复旦大学团队近几年在高速数据中心光互连领域取得了一系列创新性成果。2017年，使用10Gbit/s级C波段DML和光间插器产生56Gbit/s啁啾管理的OOK信号成功传输10km SSMF，不需要任何色散补偿和DSP [42] ；同年，提出了发射端联合线性数字预均衡和非线性查找表的方案，通过实验演示了4×112.5Gbit/s PAM4传输80km SSMF [43] ；基于孪生单边带（Twin-SSB）调制和MIMO-Volterra均衡器，在C波段通过实验实现了208Gbit/s离散傅里叶变换扩展（Discrete Fourier Transform-Spread,DFT-S）OFDM信号传输40km SSMF [44] ；基于数字色散预补偿和先进的非线性失真补偿，通过实验创造了4×112Gbit/s PAM4 IMDD 传输400km SSMF 的纪录 [45] ；基于DD-MZM 产生 SSB 信号和数字色散预补偿，通过实验对 PAM4，无载波调幅/调相（Carrierless Amplitude Phase Modulation,CAP）16和PAM8、CAP64及DFT-S OFDM 16QAM、64QAM实现112Gbit/s传输进行了详细的比较，这也是目前较为详细的不同调制格式的对比 [46-48] ;2018年，将PS技术首次引入OFDM系统中并通过实验实现了28.95Gbit/(s·λ) PS-1024QAM DFT-S OFDM传输40km SSMF [49] ；同年，提出了一种联合MIMO-Volterra均衡算法，在C波段通过实验演示了112Gbit/(s·λ) CAP-16QAM传输480km SSMF，这是100Gbit/s CAP调制格式最长传输记录 [50-51] ;2019年，Zhang 等 [52] 基于数字预均衡、概率整形和硬限幅技术，实验演示了单信道电吸收调制激光器（Electro-Absorption Modulated Laser,EML）106GBaud PAM4和PS-PAM8信号传输1km非零色散位移光纤（No-Zero Dispersion Shifted Fiber,NZ DSF），最高实现260Gbit/s PS-PAM8信号传输；2019年，Zhou等 [53-54] 基于Kramers-Kronig接收机，实验演示了25GHz间隔4×140Gbit/s 128QAM和4×160Gbit/s 256QAM SSB信号传输20km SSMF，在256QAM时有效频谱效率可达5.12bit/(s·Hz);2020年，Wa等 [55] 利用收发端半导体光放大器（Semiconductor Optical Amplifier, SOA）和概率整形高阶PAM8调制信号，实验演示了1Tbit/s （280Gbit/s×4） PS-PAM8传输40km SSMF，净速率高达880Gbit/s，可以支持未来800Gbit/s数据中心互联，这是当前PAM IMDD传输最高纪录。
从国内外数据中心互联研究现状可以看到，国外尤其是日本、欧洲等国家和地区在高带宽器件、调制格式、新型编码等几个方面发展较快，特别是高带宽器件的研发与工业界联系更紧密，处于领先地位。国内在数字信号处理方面研究成果比较突出，特别是非线性损伤均衡算法和基于人工智能的数字信号处理技术成果丰富，但是，这些算法复杂度高，在实用性上还需要优化，降低复杂度。国内在高带宽器件设计方面能力严重缺乏，在新型编码原始理论上创新不足。目前高速数据中心光互连单通道从100Gbit/s向200Gbit/s演变，除了高带宽器件的发展，高谱效率编码和高效率均衡技术起到的作用越来越大，本书将针对这些问题展开研究。
（1）国外研究现状
为了满足未来用户接入网对容量的需求，国外工业界和高校在调制格式、数字信号处理和高速相干PON等方面展开了研究。
在调制格式方面，对光双二进制（Optical Duobinary,ODB）、电双二进制（Electrical Duobinary, EDB）、NRZ、PAM4、DMT和 CAP等调制格式展开了对比研究。2014年，美国贝尔实验室演示了基于 ODB、EDB 和 NRZ 格式的具有64个用户的40Gbit/s 时分复用-无源光网络（Time Division Multiplexing-Passive Optical Network,TDM-PON），在C波段传输26km SSMF,25Gbit/s雪崩光电二极管（Avalanche Photodiode,APD）接收机可以实现31dB光功率预算，在此系统中， NRZ性能要优于EDB和ODB [56-57] ;2016年，美国贝尔实验室演示了基于10Gbit/s器件的对称25Gbit/s TDM-PON，在C波段传输20km SSMF后实现了31.5dB光功率预算，下行连续传输采用PAM4，上行突发传输采用NRZ [58-59] ;2017年，美国贝尔实验室演示了基于功率加载DMT的对称40Gbit/s PON，在C波段传输10km实现了23dB功率预算 [60] ;2017年，德国ADVA光网络提出了一种新型时钟恢复算法和偏微分编解码多带CAP方案，实验演示了使用10Gbit/s级收发机实现40Gbit/(s·λ)长距离PON，传输80km和90km SSMF后分别实现了33dB和29dB的链路功率预算 [61-62] 。
在数字信号处理方面，2016年，ADVA光网络演示了第一个实时端到端对称40Gbit/s PAM4接入网实验，发射端DSP包括符号映射和数字预均衡，接收端DSP包括时钟恢复和FFE/判决反馈均衡器（Decision-Feedback Equalizer,DFE）；下行链路使用EDFA和APD接收机，传输10km和20km SSMF后功率预算分别为26.5dB和24.5dB；上行链路使用EDFA作为预放大器和PIN接收机，传输10km和20km的SSMF上行链路实现高达27dB和25dB的链路功率预算 [63-64] 。2019年，美国诺基亚贝尔实验室提出在光线路终端（Optical Line Terminal,OLT）接收机侧使用神经网络（Neural Network,NN）均衡器，避免在用户侧进行复杂处理，基于该NN均衡器实验演示了C波段50Gbit/s NRZ和92Gbit/s PAM4 TDM-PON [65] 。
在相干PON传输方面，2017年美国贝尔实验室演示了一个下行50Gbit/s NRZ与上行25Gbit/s NRZ非对称TDM-PON，下行接收机为APD，上行接收机是基于3×3光纤分路器和PD的简化相干接收机，可以实现40dB光功率预算 [66-67] ;2016年，日本三菱提出了新型的具有放大自发辐射补偿功能的自动增益管理EDFA，实验演示了实时具有简单DSP的相干100Gbit/s 波分复用无源光网络（Wavelength Division Multiplexing-Passive Optical Network,WDM-PON），可以支持8个用户单元传输80km SSMF，实现39.1dB的功率预算 [68-69] ;2019年，德国卡尔斯鲁厄理工学院提出了一种无色相干TDM-PON体系结构，该体系结构使用梳状激光器作为OLT中的本地振荡器，实验表明两种不同类型的梳状激光器在-25dBm接收光功率下，可以实现600GHz和1THz宽带宽上无色相干接收 [70] ;2019年，韩国高等科学技术学院利用 RSOAs 在环回配置的相干WDM-PON中演示了上行28Gbit/s QPSK信号80km传输 [71] ;2015年，意大利圣安娜高等学院使用非偏振相干接收机实时演示了1.25Gbit/s幅移键控（Amplitude Shift Keying,ASK）-PON，无须使用ADC和DSP，可以实现-51dBm的接收灵敏度和52dB的动态范围 [72] 。
（2）国内研究现状
上海交通大学、北京邮电大学、华中科技大学、复旦大学、上海大学等高校团队和中兴通讯股份有限公司、华为、中国电信集团有限公司等企业，对PON展开了研究，取得一系列优秀成果。
上海交通大学，Xue等 [73-74] 提出了一种支持色散的光学均衡方案用于降低FFE和Volterra算法的复杂性，使用3dB带宽6GHz的DML和APD在O波段实验演示了50Gbit/s PAM4 TDM-PON传输25km SSMF;Yi 等 [75-76] 提出了基于 NN 的均衡器，使用商用20Gbit/s 级光电器件演示了100Gbit/(s·λ) IMDD PON,33GBaud PAM8实现了30dB的损耗预算，结果表明基于NN的均衡器在线性情况下具有与FFE和VNLE（Volterra NLE）相同的性能，但在强烈的非线性情况下优于它们；2018年，Zhang等 [77-78] 在O波段中演示了基于10Gbit/s级DML和PD的50Gbit/(s·λ) PAM4 TDM-PON，具有下行链路预补偿和上行链路后均衡功能，在光网络单元（Optical Network Unit, ONU）中没有任何DSP的情况下，实现了29dB的光功率预算。2018年，华中科技大学Li等 [79] 提出了一种支持1000个ONU的双向相干超密集时分/波分复用无源光网络方案，使用基于现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array,FPGA）的实时收发机实验性地演示了该方案， 10Gbit/s双偏振QPSK信号传输40km SSMF实现了30dB链路功率预算。2018年，北京邮电大学Tang等 [80] 提出了一种基于带循环卷积的快速频域均衡和低复杂度MLSD均衡器抵抗带宽限制和色散，在C波段无色散补偿成功演示了50Gbit/s PAM4 PON传输20km SSMF，实现高达33.2dB的功率预算。2019年，上海大学Li等 [81] 使用25Gbit/s级光电器件和OLT侧SOA放大器演示了50Gbit/s NRZ对称TDM-PON，下行链路和上行链路分别实现了34.97dB和33.76dB光功率预算。2017年，华为Tao等 [82] 分别通过实验演示了O波段基于PAM4/DMT调制的50Gbit/(s·λ) TDM-PON，通过使用 DSP 和10Gbit/s 级光电器件，在下行传输20km SSMF 接收灵敏度达到-20dBm/-18dBm;2019年，Tao等 [83] 基于40GHz EML和25GHz APD及简单DSP，实验研究了50Gbit/s NRZ-OOK信号的色散容限，在1342nm传输20km SSMF的情况下满足29dB功率预算。
复旦大学团队在2017年使用集中式DSP和低复杂度10Gbit/s接收机，通过实验演示了C波段50Gbit/(s·λ)和64Gbit/(s·λ) PAM4 TDM-PON下行传输20km SSMF的情况下实现了31dB和29dB链路功率预算 [84] ;2018年，Zhang等 [85] 通过使用DSP和SOA，在O波段上实验性地研究了对称的50Gbit/(s·λ) PAM4 TDM-PON，下行采用APD接收机，上行采用SOA+PIN接收机，上下行均可以实现超过29dB 的功率预算；2018年，Zhang 等 [86] 演示了采用实时 FPGA 处理的26.20546GBaud PAM4信号的突发模式全数字时钟和数据恢复，使用自由运行的ADC，基于平方定时恢复算法，使用32个符号实现了时钟恢复；同年，Zhang 等 [87] 针对与功率相关的非均匀噪声分布的APD或SOA接收机，提出了一种增强的PAM4调制和检测方案，从而提高了50Gbit/(s·λ) PON的接收机灵敏度；2018年，Zhang等 [88] 首次实验演示了C波段基于对相位不敏感的简单外差相干探测单波长100Gbit/s TDM-PON，传输20km和40km SSMF分别实现了36.5dB和34dB的链路功率预算；2019年，Zhang等 [89-90] 使用10Gbit/s级DML和SOA前置放大器，首次实验演示了O波段100Gbit/(s·λ) PAM4 TDM-PON下行传输50km SSMF，实现了29dB的功率预算，这一成果作为OFC 2019 PDP进行了大会报告；2019年，Zhang等 [91-92] 使用Nyquist脉冲整形和强度调制外差相干检测，首次实验演示了C波段单波长200Gbit/s PDM-PAM4 PON，在20km SSMF光纤传输后实现了超过29dB的功率预算，这一成果作为OFC 2019 Top Score Paper进行了大会报告。
从国内外光接入网研究现状可以看到，随着中国5G商用和国内接入网市场需求的推动，国内接入网研究的部分成果已处于国际领先水平。但是也需要看到，国外高校研究所和工业界研究结合非常紧密，国内部分研究仅限于学术研究，在实用性上还有不小差距。随着新兴业务和5G商用推动，50Gbit/s PON标准正在讨论中，100Gbit/s 相干PON也是研究热点。随着传输速率的增加，器件带宽受到限制，导致多种线性和非线性损伤愈发严重，先进调制格式和高效数字信号处理技术可以提高系统传输性能。本书围绕带宽受限器件和相干技术展开高速PON研究工作。