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正交频分复用（OFDM）技术自上世纪六十年代诞生于美国贝尔实验室,现已广泛运用于有线和无线通信中并成为了长期演进技术升级版（LTE-A）的标准。而将OFDM技术运用于光网络,并得益于其很高的频谱效率、很强的色散容忍度、灵活的带宽分配等特点,光OFDM现在已经成为光纤通信系统的研究热点。用于相干光通信系统的OFDM（CO-OFDM）技术主要面向长距离、大容量的骨干网或者城域网,而基于强度调制和直接检测技术的OFDM（IM-DD OFDM）系统由于较低的系统复杂度更受成本敏感应用系统的青睐,如短距离接入网、数据中心互联等。本论文主要研究运用于接入网和中短距离通信（≤80 km）的IM-DD OFDM技术的主要限制因素,它们包括:OFDM时域信号高峰均能量比（PAPR）、较低的接收机灵敏度、发射机数模转换模块（DAC）较高的量化噪声等。我们提出了几项新颖的方案来逐项解决上述问题,它们包括:1)基于IM-DD OFDM系统中频率保护间隔（FGB）的PAPR减小方案。在直接检测的OFDM系统中通常会设置一个频率保护间隔来分离信号-信号拍频噪声（SSBI）,而SSBI一般位于接收信号的低频部分。我们通过在这个预留的FGB中插入针对时域信号峰值的低幅度子载波,OFDM时域信号的尖峰可以被有针对性的抵消掉。经过概念验证实验演示,该方案可以在互补累积分布函数（CCDF）为1×10-4处减小PAPR 2.8 dB,还可以提升电光调制的深度,并且带来超过2.1 dB的接收机灵敏度提升。由本方法带来的非线性容忍度提升也在实验中得到了验证。2)利用DAC模块输出动态范围冗余的OFDM符号自适应拉伸方法。在IM-DD OFDM系统中,DAC是发射机的核心器件,将采样的OFDM数据输出为模拟电信号用来驱动电光调制器实现上变频。但是由于OFDM是高峰信号,信号的大多数集中在低幅度区间,峰值随机出现并且概率很小。我们在光纤通信中首次提出将每一个OFDM符号按照它的峰值和DAC动态范围的比值进行自适应放大,这样使得所有的OFDM符号都可以利用DAC的全部动态范围,还可以提升电光调制深度。经过实验验证,经过自适应拉伸后QPSK调制的OFDM信号的接收机灵敏度提升了4.3 dB。该方法简单有效,将它运用于无源光网络（PON）系统可以提升系统的传输距离和所支持的光网络单元（ONU）的数量。3)基于在频率响应衰落和时域动态范围冗余的IM-DD OFDM发射机优化方案。在IM-DD OFDM系统中,由于DAC模拟输出之前会先经过一个抗混叠滤波器,信号高频率分量会有较大的衰落。而在现行的OFDM产生系统中,该频率子载波或者赋零,或者分配调制度较低的QAM码型。为了提高该系统的接受灵敏度,我们利用第三章提出的方法,将由于抗混叠滤波器损伤的子载波用来在时域上有针对性地减少PAPR。随后我们将峰值抵消的信号进行自适应拉伸,这样可以有效地减小量化噪声和增加调制深度。本方案面向OFDM-PON,针对发射机特定的DAC进行频域和时域共同优化,以达到很高的接收灵敏度提升。在方案的实验演示中,16 QAM调制的OFDM信号经过80公里光纤传输,在有光前置掺铒光纤放大器（EDFA）和PIN PD的接收机系统中实现了6.1 dB的接收机灵敏度提升。4)可用于IM-DD OFDM系统的非均匀量化分布的低分辨率DAC方案。该方案面向于低成本短距离的IM-DD OFDM系统,在这些系统里面,使用低分辨率的DAC可以有效地降低系统成本。为了减小由此带来的发射端量化噪声,我们创新地将发射机DAC中的离散电平输出分布进行优化。由于OFDM信号在时域上呈现出高斯分布的特点,我们将DAC离散电平输出按照该信号的分布进行优化。低幅度的OFDM波形的量化噪声可以有效减小,导致整个信号的信噪比（SQNR）有了显著提高。经过仿真计算,对于高斯分布的OFDM信号,经过优化的3-bit和4-bit的DAC可以将OFDM信号的SQNR提升至少3.6 dB。仿真中,经过80公里传输的QPSK和16-QAM调制的OFDM信号的接受灵敏度提升了大约3 dB。在演示的实验验证中,我们通过改进3-bit DAC的离散输出电平分布成功传输了QPSK调制的OFDM信号,使误码率（BER）低于7%硬判决前向纠错码（HD-FEC）的阈值。量化噪声的有效减小由此得到验证。在IM-DD OFDM系统之外,论文还就相干接收机的系统复杂性进行了研究,结合光幅度相位调制（QAM）信号的特点,提出了如下新颖的方案:5)基于正交光载波的高光谱效率QAM信号的接收方案。在QAM接收系统中,接收端的窄线宽激光器激光器和相干接收模块用来解调信号的同向/正交分量,并且将它们分别投射到不同的电平衡PD上。该结构成本高、复杂度大,难以用于短距离低成本的应用场景。我们提出在QAM信号调制时,通过增加一个相位正交的载波,可以让QAM信号用一个单端PD接收,并且它的同向/正交分量能在时域上分开。如此,系统省掉了接收端的本地光源,90°光混频器和2对电平衡PD。经过仿真验证,我们的方案用一个单端PD成功接收了光纤传输22公里后的40 Gbps 16 QAM信号。相比起其他方案,该方案的光谱效率高。