[論文レビュー] Coherent data transmission with microresonator Kerr frequency combs

Joerg Pfeifle, M. Lauermann+12 more|arXiv (Cornell University)|Jul 3, 2013

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 40被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、マイクロレゾネータを用いたKerr周波数コンブを用いて、統合非線形フォトニクスを活用して安定で広帯域の周波数コンブを生成し、高スペクトル効率の伝送を実現する、整合的光通信を示している。システムは100 kmの伝送で1.5 Tbit/sの誤りなし伝送を達成し、スペクトル効率は10.4 bit/s/Hzであった。これは統合フォトニクス通信分野における重要な前進を示している。

ABSTRACT

Joerg Pfeifle, Matthias Lauermann, Daniel Wegner, Victor Brasch, Tobias Herr, Klaus Hartinger, Jingshi Li, David Hillerkuss, 4 Rene Schmogrow, Ronald Holzwarth, 5 Wolfgang Freude, 6 Juerg Leuthold, 6, 4 T. J. Kippenberg, and Christian Koos 6, ∗ Institute of Photonics and Quantum Electronics (IPQ), Karlsruhe Institute of Technology (KIT), 76131, Karlsruhe, Germany Ecole Polytechnique Federale de Lausanne (EPFL), 1015, Lausanne, Switzerland Menlo Systems GmbH, 82152 Martinsried, Germany now with ETH Zurich, 8092 Zurich, Switzerland Max-Planck-Institut fur Quantenoptik, 85746 Garching, Germany Institute of Microstructure Technology (IMT), Karlsruhe Institute of Technology (KIT), 76131, Karlsruhe, Germany

研究の動機と目的

• オンチップマイクロレゾネータKerr周波数コンブを用いて、高容量でスペクトル効率の高い光通信を実現すること。
• 統合フォトニクスシステムにおける整合的伝送に適した、安定で広帯域かつ位相整合性を持つ周波数コンブを生成する課題に対処すること。
• 周波数コンブ線を複数のデータチャネルの搬送波として用いることで、長距離ファイバー路での誤りなし伝送を実証すること。
• 複数のレーザーを用いるのではなく、1つの統合マイクロレゾネータ光源を用いても高いスペクトル効率とデータレートを達成すること。

提案手法

• 高Qの窒化ケイ酸タンタル（Si₃N₄）マイクロレゾネータをTi:サファイアレーザーで励起し、四波混合および自己位相変調を介してKerr周波数コンブを生成する。
• 正確なコンブのスペクトル的および位相的特性を評価するため、デュアルコンブ技術を用い、すべてのコンブ線にわたる位相整合性を保証する。
• リアルタイムのデジタル信号処理を備えたデジタル整合受信機を用い、各コンブ線からのデータを個別に復元する。
• 位相ノイズおよびファイバー損傷を低減するため、高度なキャリア位相推定およびイコライジングアルゴリズムを適用する。
• 各コンブ線を個別のデータ伝送チャネルとして使用する波長多重多重（WDM）アーキテクチャを採用する。
• コンactなチップスケールプラットフォームにマイクロレゾネータ光源を統合し、スケーラビリティと低消費電力の両立を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つのオンチップマイクロレゾネータKerr周波数コンブが、複数波長かつ位相整合性を持つ光源として、整合的光通信に利用可能かどうか。
• RQ2 長距離伝送システムでマイクロレゾネータコンブを用いる場合、達成可能な最大スペクトル効率およびデータレートはどの程度か。
• RQ3 コンブの位相安定性およびスペクトル平坦性が、誤りなし伝送性能に与える影響はいかほどか。
• RQ4 デジタル信号処理は、コンブベースの伝送において位相ノイズおよびファイバー非線形性をどの程度低減できるか。
• RQ5 1つのポンプレーザーのみを用いても、広帯域で高い性能を維持できるか。

主な発見

• 本システムは、1つのマイクロレゾネータベースの周波数コンブを用いて、標準単モードファイバー100 kmの伝送で1.5 Tbit/sの誤りなし伝送を達成した。
• スペクトル効率10.4 bit/s/Hzを達成し、スペクトル効率の高い高容量光回線の実現可能性を示した。
• マイクロレゾネータコンブは、100 GHz以上の帯域幅にわたって平坦なスペクトルエンベロープを有する位相整合性のある広帯域出力を提供した。
• デジタル信号処理により、位相ノイズおよびファイバー非線形性が効果的に補償され、すべてのコンブ線で堅牢な伝送が実現した。
• フォワードエラー訂正の限界（3.8×10⁻³）未満のバックビット誤り率を維持し、誤りなし性能を保持した。
• コンブ光源のコンパクトでチップスケールのプラットフォームへの統合により、スケーラビリティと低消費電力動作が可能となり、将来的なフォトニクス統合回路に適している。