[論文レビュー] Coherent WDM Systems Using in-Line Semiconductor Optical Amplifiers

Amirhossein Ghazisaeidi|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2017

Optical Network Technologies参考文献 11被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、時間領域1次摂動理論に基づき、中継型半導体光増幅器（SOA）を用いたコherent WDMシステムにおける非線形信号伝搬の、初めての厳密な理論的枠組みを提示する。信号対雑音比（SNR）の解析的表現を導出し、ファイバー由来およびSOA由来の非線形歪みを考慮することで、高い雑音指数と増幅ゲインの動的特性を示すSOAを用いたシステムの性能予測と最適化が可能になる。

ABSTRACT

A theory of nonlinear signal propagation in multi-span wavelength division multiplexed coherent transmission systems that employ the semiconductor optical amplifier as in-line amplifiers is presented for the first time. The rigorous derivation, based on time-domain first-order perturbation theory, is developed in detail. The end result is the expressions for the signal-to-noise ratio of the received sampled photocurrent, including contributions from noise, fiber-induced nonlinear distortions, and amplified-induced nonlinear distortions.

研究の動機と目的

• 高雑音指数と非線形増幅ゲイン動態のため、これまで研究がほとんど行われてこなかった中継型半導体光増幅器（SOA）を用いたコherent WDMシステムにおける非線形信号伝搬の厳密な理論的モデルの構築を目的とする。
• EDFAベースのシステムで用いられる時間領域摂動的手法をSOAベースのシステムに拡張し、SOAの増幅ゲイン動態と雑音の特徴に適応させる。
• SOA増幅下における、信号-信号（SS）および雑音-信号（NS）非線形性の寄与を含む、サンプリング受信信号における総非線形歪みの分散を計算する。
• SNRなどの主要システム指標の解析的表現を提供することで、将来的なSOAベースのコherent WDM伝送システムの性能評価と最適化を可能にする。
• 大帯域幅（100 nm以上）を有する超広帯域SOAが実用化されつつある状況を踏まえ、EDFAの代替としてのSOAの導入に向けた理論的基盤を構築する。

提案手法

• EDFAベースのシステムからSOAベースのシステムへ時間領域1次摂動理論を適応させ、SOAの動的ゲイン応答を反映するように形式を修正する。
• EDFA特有のゲインおよび雑音項をSOA特有のパrameterに置き換えた、改良されたSOAモデルを導入する。
• $χ$-係数形式を用いて非線形歪み分散の積分表現を導出し、$H'$および$r'$関数を修正することで、SOAのゲイン動態に適応させた。
• SOAのゲイン動態を$f(z)$および$d(z)$を介して明示的に含む、新しい係数$χ_{ω,s,s'}$および$χ_{ω,s,s'}^{(1)}$を定義する。
• SOAに特有の位相およびゲイン依存性を含む新しい$r'$関数を用いて、$χ$-係数およびその複素共役を統合し、周波数空間にわたる積分を実行する。
• 新しい$r'$関数を用いた$d^3\omega$、$d^4\omega$などの積分を評価することで、最終的なSNR表現を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 半導体光増幅器（SOA）の動的ゲイン応答は、従来のEDFAと比較して、コherent WDMシステムにおける非線形信号歪みにどのように影響を与えるか？
• RQ2 SOA増幅下のコherent WDMシステムにおける、サンプリング受光電流の信号対雑音比（SNR）の解析的表現は何か？ ここには、ファイバー由来およびSOA由来の非線形歪みの寄与が含まれる。
• RQ3 時間領域摂動理論は、EDFAではなく中継型SOAを用いたシステムに、どのように適合可能か？
• RQ4 SOA特有のパrameter（例：ゲイン動態、雑音指数）は、マルチスパンWDMシステムにおける総非線形歪み分散にどのような影響を及えるか？
• RQ5 EDFAベースのシステムに用いられる理論的枠組みは、SOAベースのシステムへ十分な精度で拡張可能か？

主な発見

• 本稿は、中継型SOAを用いたコherent WDMシステムにおける非線形信号伝搬の、初めての解析的枠組みを、時間領域1次摂動理論を用いて導出する。
• サンプリング受光電流のSNRを表す表現には、ファイバー由来およびSOA由来の非線形歪みの寄与が含まれており、性能予測が可能になる。
• 総非線形歪み分散は、SOA特有のゲイン動態および位相依存性を組み込んだ修正された$r'$関数を用いて計算される。
• 理論は、SOA増幅下における信号-信号（SS）および雑音-信号（NS）非線形相互作用を明示的に扱い、多次元周波数空間にわたる積分表現を有する。
• $r'_{\vec{\omega},m,s,s'}$に依存する積分を用いて、非線形歪み分散の評価が可能であり、これにはSOAのゲイン動態および周波数デチューニングが含まれる。
• 得られた結果は、特に100 nm以上のゲイン帯域幅を有する超広帯域SOAの最近の実証を踏まえ、SOAベースのWDMシステムの最適化に基盤を提供する。