[論文レビュー] Enabling high spectral efficiency coherent superchannel transmission with soliton microcombs

Mikael Mazur, Myoung‐Gyun Suh+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2018

Advanced Fiber Laser Technologies被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、安定で狭いライン間隔（22.1 GHz）の光周波数コンブを提供することで、高スペクトル効率なコherentスーパachuannel伝送を可能にするチップスケールソリトンマイクロコンブを示している。システムは82 kmで12 Tb/sの伝送を達成し、スペクトル効率が10ビット/秒/Hzを超える。2000 kmでは6ビット/秒/Hzを超える。従来のマイクロコンブベースのシステムを上回り、ボリュームオプティクスのベンチマークに匹敵する性能を示した。

ABSTRACT

Optical communication systems have come through five orders of magnitude improvement in data rate over the last three decades. The increased demand in data traffic and the limited optoelectronic component bandwidths have led to state-of-the-art systems employing hundreds of separate lasers in each transmitter. Given the limited optical amplifier bandwidths, focus is now shifting to maximize the spectral efficiency, SE. However, the frequency jitter from neighbouring lasers results in uncertainties of the exact channel wavelength, requiring large guardbands to avoid catastrophic channel overlap. Optical frequency combs with optimal line spacings (typically around 10-50 GHz) can overcome these limitations and maximize the SE. Recent developments in microresonator-based soliton frequency combs (hereafter microcombs) promise a compact, power efficient multi-wavelength and phase-locked light source for optical communications. Here we demonstrate a microcomb-based communication link achieving state-of-the-art spectral efficiency that has previously only been possible with bulk-optics systems. Compared to previous microcomb works in optical communications, our microcomb features a narrow line spacing of 22.1 GHz. In addition, it provides a four order-of-magnitude more stable line spacing compared to free-running lasers. The optical signal-to-noise ratio (OSNR) is sufficient for information encoding using state-of-the-art high-order modulation formats. This enables us to demonstrate transmission of a 12 Tb/s superchannel over distances ranging from a single 82 km span with an SE exceeding 10 bits/s/Hz, to 2000 km with an SE higher than 6 bits/s/Hz. These results demonstrate that microcombs can attain the SE that will spearhead future optical networks.

研究の動機と目的

• 従来のWDMおよびオプトエレクトロニクス部品の帯域制限により、光通信システムにおけるスペクトル効率の向上が急務であることを踏まえ、その要請に対応する。
• 個々のレーザーを位相ロックされた狭いライン間隔の光周波数コンブに置き換えることで、マルチレーザー送信機における周波数ジッターの課題を克服する。
• ソリトンマイクロコンブの安定性とコherenceを活用し、高次変調フォーマット（例：64QAM、256QAM）を低オーバーヘッドで用いて、高スペクトル効率伝送を実現する。
• マイクロコンブが、従来はボリュームオプティクスシステムでのみ達成可能であったスペクトル効率を実現できることを示し、将来的なコンact、低消費電力送信機の実現を可能にする。
• 実時間DSPおよび現場展開可能な部品（リサイクリングループ、コherent受信機など）を用いて、長距離伝送（最大2000 km）におけるシステム性能を検証する。

提案手法

• 52本のコンブラインをスーパachuannel形成に用いるために、22.1 GHzの繰り返し周波数を持つソリトン周波数コンブを生成する高Qシリカマイクロレゾネータを採用した。
• EDFAを介して増幅された連続波レーザーを用いてマイクロレゾネータを励起し、100 Hz未満の線幅安定性を有する安定した位相ロック周波数コンブを生成するソリトン状態を達成した。
• ファイバー・ブレグ・グレーティングを用いてポンプレーザー線を抑制し、コンブスペクトルをフラット化することで、各チャネルに均一なパワーを確保し、一貫性のある変調を実現した。
• 5つのテストチャネルを用いたテストローディングバンドアプローチにより、各コンブラインに高次QAM変調（16、64、256QAM）を模擬した。
• 変調されたチャネルを multiplexer を介して合成し、1スパン82 kmのSSMFに、またはEDFAを用いた損失補償付きの2000 kmリサイクリングループに送信した。
• 23 GHzのアナログ帯域幅を持つ受信機を用いてコherent検出を行い、パイロット支援等化およびブラインド位相回復を用いたオフラインDSPを実施し、長距離伝送を実現した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 チップスケールソリトンマイクロコンブは、大容量光伝送において、ボリュームオプティクスベースのスーパachuannelシステムと同等のスペクトル効率を達成できるか？
• RQ2 マイクロコンブのライン間隔の安定性（22.1 GHz）は、フリー走行レーザーと比較して、チャネル間クロストークとガードバンド要件をどの程度低減するか？
• RQ3 長距離ファイバー伝送路を介して、高次変調フォーマット（例：64QAM、256QAM）を用いたマイクロコンブベースのスーパachuannelで達成可能なスペクトル効率とネットデータレートはどの程度か？
• RQ4 偏光スキャニングやノイズを含む実世界の条件下で、一般化相互情報量（GMI）および誤りビットレート（BER）の観点から、システムの性能はいかがなっているか？
• RQ5 マイクロコンブベースの送信機は、2000 km以上で6ビット/秒/Hzを超えるスペクトル効率を達成できるスケーラブルで低エネルギー消費の高スループット光通信ネットワークを実現できるか？

主な発見

• ソリトンマイクロコンブは、フリー走行レーザーと比較して、4桁の優位なライン間隔安定性を達成した。3時間にわたる長期的な繰り返し周波数安定性は100 Hz未満であった。
• 82 kmの単一スパンファイバーを用いた場合、PM-64QAMを用いて10.2ビット/秒/Hzのスペクトル効率を達成。一般化相互情報量（GMI）は10.2ビット/秒/Hz、前FEC BERは4×10⁻²であった。
• 2000 kmのリサイクリングループを用いた場合、PM-16QAMを用いて6.1ビット/秒/Hzのスペクトル効率を達成。GMIは6.1ビット/秒/Hz、前FEC BERは4×10⁻²であった。
• 光信噪比（OSNR）は、高次変調フォーマットをサポートするのに十分であり、データ支援なしでの収束を可能にする高度なDSP技術の適用が可能であった。
• ガードバンド（2.8％）およびDSPパイロットオーバーヘッドを考慮した、GMIに基づく実用的なネットスペクトル効率の推定値としての達成情報レート（AIR）を算出した。
• 結果から、マイクロコンブベースのスーパachuannelがボリュームオプティクスシステムの性能を模倣できることを確認した。これにより、マルチテラビットスループットと低消費電力の将来の全光ルーティングネットワークの実現が可能となる。