[論文レビュー] Demonstration of Fully Nonlinear Spectrum Modulated System in the Highly Nonlinear Optical Transmission Regime

Vahid Aref, Son Thai Le+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 25, 2016

Optical Network Technologies参考文献 4被引用数 35

ひとこと要約

本稿は、光ファイバー内で非線形フーリエスペクトルの連続的および離散的成分を同時に変調することで、完全に非線形なスペクトル変調系の初の実験的実現を示している。低複雑性の逆非線形フーリエ変換（INFT）アルゴリズムを用い、連続スペクトルに64×0.5 Gbaudの16-QAM OFDMを、離散スペクトルに固有値とスペクトル振幅のハイブリッド変調を組み合わせることで、非線形閾値を最大3 dB向上させ、ほぼ理論限界に近いスペクトル効率とほぼ誤りなしの性能を達成した。

ABSTRACT

We report a 3 dB increase in the nonlinear threshold of a 64*0.5Gbaud 16-QAM continuous-nonlinear-spectrum modulated signal by nonlinear multiplexing with QPSK modulated multi-solitons, showing the first ever fully nonlinear-spectrum modulated system in the highly nonlinear regime.

研究の動機と目的

• 光ファイバー通信における非線形容量限界を、連続的および離散的非線形フーリエスペクトル成分を併用することで克服すること。
• 従来のOFDMシステムが非線形性のため故障する高出力送信領域における性能劣化を解消すること。
• ソリトン成分と分散成分の両方を活用した、実用的で低複雑性の変調方式を提示し、スペクトル効率を向上させること。
• アンプ雑音や集中的増幅などの実世界の劣化要因下での、連続的および離散的スペクトル間のクロストークおよび相関を調査すること。
• ハイブリッド非線形フーリエ変換に基づく変調方式を用いて、非線形容量限界に近いスペクトル効率を達成可能かどうかを検証すること。

提案手法

• 連続的および離散的スペクトル成分を併せ持つハイブリッドパルスを生成するため、低複雑性の逆非線形フーリエ変換（INFT）アルゴリズムを開発した。
• 連続スペクトルは、4 nsのガードインターバルを有する64×0.5 Gbaudの16-QAM OFDM信号で変調され、原始データレートは25.6 Gb/sに達した。
• 離 discrete スペクトルはハイブリッド信号方式により変調された：有限集合から2つの純虚数固有値が選択され、それらのスペクトル振幅はQPSK変調された。これにより、1シンボルあたり4 + log₂(12) ≈ 7.58ビットの変調が可能となった。
• ダーボウックス変換を用いて、連続的および離散的成分を1つの非線形パルスに多重化し、伝送中のスペクトルモードの独立性を保持した。
• 非線形信号検出には、前向き・後向きのNFTアルゴリズムを用い、単一タップ位相シフト除去と位相ノイズ推定を実施し、分散と非線形性の相互作用を低減した。
• システムは、EDFAを用いた18×81.3 kmの単モードファイバー環状ループ上で実験的に検証され、連続的および離散的スペクトルの独立した検出が行われた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 連続的および離 discrete 的非線形フーリエスペクトル成分の共同変調が、光ファイバー伝送における非線形閾値を顕著に向上させ得るか？
• RQ2 アンプ雑音および集中的増幅の下で、離散的ソリトン成分の存在が連続的分散スペクトルの性能に与える影響は何か？
• RQ3 実際の伝送条件下における連続的および離散的スペクトル間の相関はどの程度であり、多重化の目的でそれらを独立して取り扱えるか？
• RQ4 連続スペクトルにOFDMを、離散スペクトルに固有値および振幅変調を組み合わせた場合の実現可能なスペクトル効率は何か？
• RQ5 離 discrete 部分のピーク対平均電力比（PAPR）がADC量子化および全体のシステム性能に与える影響は何か？

主な発見

• D1では連続スペクトルの非線形閾値が約2 dB向上し、D2では3 dB向上した。これは追加の離 discrete スペクトルパワーに比例して上昇した。
• D1では連続スペクトルの性能にほとんど変化がなく、ノイズおよびアンプ劣化要因下でも両スペクトル成分間に最小限の干渉が生じたことが示された。
• D2では、高いピーク対平均電力比と限られたADC分解能のため、わずかな性能劣化が観測された。これは分散成分の有効振幅が低下したことに起因する。
• 離 discrete スペクトルは14 dBを超えるQファクターを達成し、ガウス・ミックスモデリングによるBER推定が行われ、1シンボルあたり4 + log₂(12) ≈ 7.58ビットの近似誤りなし伝送が確認された。
• 固有値は正規化誤差E(|ε|²) < 10⁻³であり、相関係数が-0.499 - 0.03jであった。これは微小なエネルギー交換と安定した決定領域を示唆している。
• 全体のシステムは理論最大に近い総スペクトル効率を達成した。最適条件下では、離 discrete 部分が大幅な容量向上をもたらしたが、連続スペクトルの性能は劣化しなかった。