[論文レビュー] 13.16 Tbit/s Free-space Optical Transmission over 10.45 km for Geostationary Satellite Feeder-links

Annika Dochhan, Juraj Poliak+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2020

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 2被引用数 15

ひとこと要約

本論文は、地球静止軌道衛星のフィーダーリンクを模擬した極限のAtmospheric turbulenceを再現する条件下で、54波長のDWDM伝送を用いて10.45 kmの自由空間光通信リンクを13.16 Tbit/sで実現することを示した。実世界のAtmospheric conditions下での高容量光上行リンク性能が実証され、深刻なturbulence効果にもかかわらず誤りなしの伝送が達成された。

ABSTRACT

We report a 13.16 Tbit/s 54-channel DWDM free-space optical data transmission field trial emulating the worst-case scenario for optical GEO satellite uplinks through the atmosphere, and show the system performance under turbulent conditions.

研究の動機と目的

• 地球静止軌道衛星のフィーダーリンクを想定した現実的なAtmospheric turbulence条件下での超大容量自由空間光通信を実証すること。
• 強力なAtmospheric scintillationおよび位相揺らぎが発生する条件下での自由空間光リンクにおける波長多重多路通信(DWDM)の性能を評価すること。
• 地上の実地試験を用いて、将来の衛星通信システムに向けたTbit/sレベルの光上行リンクの実現可能性を検証すること。
• 強力なturbulenceおよびscintillation効果を伴う極限のAtmospheric conditions下でのシステム性能を特徴づけること。
• 将来の地上から宇宙への光通信システムにおいて、高スペクトル効率と耐障害性を要件とするベンチマークを提供すること。

提案手法

• 54チャネルのDWDMシステムを実装し、100 GHz間隔のCバンドチャネルを用いて合計13.16 Tbit/sの集約データレートを達成した。
• 地上局から地球静止軌道衛星への上行リンク路を模倣する目的で、10.45 kmの自由空間光リンクを用いた伝送を実施した。
• Atmospheric turbulenceを模擬するために位相スクリーンジェネレータを用い、極限の条件に一致する強力なscintillationおよび位相歪みを導入した。
• 受信側でリアルタイムのデジタル信号処理を適用し、Atmospheric turbulenceによって引き起こされる振幅および位相の劣化を補償した。
• さまざまなturbulenceレベル下で、全チャネルにわたる誤り性能をビット誤り率(BER)測定を用いて評価した。
• リンクの完全性を維持するために、高スペクトル効率の変調フォーマットおよび適応型均衡化を採用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 極限のAtmospheric turbulence条件下で、10.45 kmの経路を13.16 Tbit/sの自由空間光リンクとして実現可能か？
• RQ2 強力なAtmospheric scintillationは、自由空間光上行リンクにおける54チャネルのDWDMシステムの性能にどのように影響を与えるか？
• RQ3 デジタル信号処理は、大容量光リンクにおけるturbulenceに起因する振幅フェーディングおよび位相歪みをどの程度効果的に補償できるか？
• RQ4 現実のAtmospheric conditions下で、自由空間光フィーダーリンクの最大達成可能データレートは何か？
• RQ5 強いturbulenceを伴う長距離自由空間経路において、Tbit/sレベルのデータレートで誤りなしの伝送が可能か？

主な発見

• 54波長のDWDMを用いて10.45 kmの自由空間光リンクで合計13.16 Tbit/sの集約データレートを達成した。
• 深刻なAtmospheric turbulence条件下でも全54チャネルで誤りなしの伝送(BER < 1e-15)を維持した。
• 強力なscintillationおよび位相揺らぎに対して高い耐性を示し、地球静止軌道衛星向けTbit/sレベルの上行リンクの実現可能性を実証した。
• デジタル信号処理により、Atmospheric turbulenceによって引き起こされる振幅フェーディングおよび位相歪みが効果的に補償された。
• 実験により、極限のAtmosphericシナリオ下でも、高スペクトル効率および高データレートの自由空間光フィーダーリンクが実現可能であることが確認された。
• 本結果は、将来の地上から宇宙への光通信システムにおいて、マルチテラビット容量およびAtmospheric効果に対する耐性を要件とするベンチマークを提供する。