针对水下无线通信高速率、远距离、低成本和小型化设备的实用需求，本文设计研制了一种高鲁棒性的基于现场可编程门阵列（FPGA）和大功率LED阵列的小型化水下无线光通信系统。其光发射机的光源采用45 W大功率LED阵列，基于FPGA实现高阶调制与编码，并设计了准直光学发射天线有效减少光束发散角，大幅度延长了传输距离。在光接收端，设计了一种基于3 mm大孔径雪崩光电二极管（APD）的自动增益控制放大和FPGA解调与信号处理的光接收机，降低了光通信系统对准的严苛要求。该系统可实现30 Mbps 开关键控（OOK）信号和正交幅度调制（QAM）信号（16QAM信号）的12 m水下信道实时传输，二者的误码率（BER）分别为2.467×10^-4和3.467×10^-3。此外，该系统还实现了22 Mbps的非归零（NRZ）-OOK整形信号12 m水下+30 m空气的跨介质传输（总长度为42 m），BER为3.619×10^-4。最后，实现了12 m水下信道中接收机偏离主光轴40°之内22 Mbps OOK信号的有效接收，提高了系统的鲁棒性。

针对200Gbit/s PAM4光收发模块的设计需求, 提出了一种基于四阶脉冲幅度调制(PAM4)、数据传输速率达200Gbit/s的光发射组件封装方案。该封装内部集成了4路PAM4电/光转换通道, 单通道数据传输速率为50Gbit/s。介绍了该200Gbit/s PAM4光发射组件的组成和技术难点, 然后对其中的50Gbit/s数据传输通道进行了建模、仿真和优化, 最后完成了样品的测试。测试结果表明: 样品的单通道PAM4数据速率可达50Gbit/s, 整体PAM4数据速率可达200Gbit/s, 满足光收发模块的设计需求。

根据整机小型化需求，设计了一种数字光收发微系统。以系统级封装技术为基础，采用管壳与基板一体化陶瓷针栅阵列封装，对光收发系统所需的各类集成电路裸芯片、光器件和阻容等无源元件进行高密度集成。通过版图设计、信号完整性、电源完整性及热应力仿真，研制出样品。经测试，信号接收SNR大于65 dBFs，SFDR大于86 dBc。模块功能稳定，指标可靠，满足实际需求。

针对传统C波段高速光模块传输距离过短的问题, 文章对一种准相干接收技术进行了研究, 结合现有25 Gbit/s光模块进行了实验, 并讨论了准相干接收技术的应用方案。研究发现, 准相干接收技术以外差相干检测技术为基础, 具有结构简单和成本低等优点, 在不使用额外的电或光色散补偿技术的前提下, 准相干接收机也能有效减少色散对高速光模块传输距离的影响。实验结果表明, 准相干接收机对因色散而劣化的光信号具有很强的处理能力, 使用准相干接收机可以显著提高光模块的传输灵敏度, 能够将采用传统强度调制技术的C波段25 Gbit/s光模块的传输距离从当前的10 km左右延长至25 km以上。

为提高空间激光通信效率,实现空间激光通信组网,对激光通信组网从光端机控制技术进行研究。首先,阐述空间激光通信组网“一对四”系统原理,并分析从光端机控制方式;然后,对从光端机捷联控制技术建立数学模型并设计非线性跟踪微分器,对从光端机的方位轴进行MATLAB仿真分析;最后,搭建组网通信系统,对从光端机进行实验。实验结果表明,从光端机在引入非线性微分跟踪器后,其方位轴跟踪精度从105 μrad(3σ)降低到31 μrad(3σ),系统精度得到了有效的提高。

Kramers-Kronig关系(简称KK关系)是希尔伯特变换的一个特例, 描述了具有因果性的平方可积函数实部与虚部之间的数学联系, 具有普适的物理背景。本文介绍了KK关系的历史及数学物理本质, 详细阐述了其在电学、磁学、声学、光学、人工介质以及光通信中的具体形式、涵义及应用, 包括反射和透射响应函数、电极化率、介电常数、折射率、电导率、电阻抗、磁导率、原子散射因子、绝热压缩系数、声折射率、单边带时域信号、空间隐身介质还有各种非线性介质等。分析了截断误差在实际应用中对KK积分计算结果的影响, 总结了各种积分限外推方法以及各种基于锚点的减法KK关系, 包括单减KK关系、多减KK关系及差分多减KK关系等。

粗波分复用(CWDM)是一种低成本高可靠性的通信技术, 在城域网等领域得到了广泛的应用。基于CWDM技术, 设计开发了符合行业标准的100 G光模块, 该光模块采用QSFP28封装, 并对光模块发射接收性能进行了测试和优化。经验证该光模块发射光眼图满足30% margin, 接收灵敏度小于-10 dBm, 可满足高速数据通信系统的要求。

针对日益增长的以太网带宽需求，提出一种四阶脉冲幅度调制(PAM4)的400 Gbit/s外形封装可插拔(CFP8)光收发模块的解决方案。阐述了400 Gbit/s标准主要测试指标、技术方案、CFP8的基本原理和结构框图，通过直接调制激光器和电吸收调制激光器两种方案对比，测试得到了优良的光眼图和电眼图，表明PAM4 CFP8光模块是实现400 Gbit/s以太网传输的良好解决方案，在高速光通信系统中具有广阔的应用前景。

设计并验证了由QSFP28(四通道小型可插拔封装)光模块构成的数据中心专用传输系统，通过使用PAM4(四阶脉冲幅度调制)信号调制方法使其能在超过80 km的距离下支持4 Tbit/s的传输速率。测试结果表明，该系统对于色散与非线性具有较好的冗余，当线路损耗为18 dB时，所有通道仍然具有大于10%的冗余。该研究结果为高速数据中心中光模块应用奠定了一定的理论与实践基础。

25 Gbit/s SFP+光收发合一模块的设计实现为现有以太网和服务器升级路线提供了另一种更为有效且可行的解决方案。介绍了25 Gbit/s以太网技术标准和32GFC(光纤通道)相关标准进展以及25 Gbit/s光模块的封装形式, 阐述了25 Gbit/s光模块的基本原理和结构框图; 详细分析了25 Gbit/s光模块的技术方案、接口指标和器件芯片要求, 为25 Gbit/s光收发模块的设计和实现提供了参考。