[論文レビュー] Intra-Channel Nonlinearity Compensation Based on Second-Order Perturbation Theory

O. S. Sunish Kumar, Abdelkerim Amari+2 more|arXiv (Cornell University)|May 3, 2020

Optical Network Technologies参考文献 26被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、コherent光通信システムにおけるチャネル内非線形性低減を向上させるために、2次摂動理論に基づく非線形性補償（SO-PB-NLC）手法を提案する。1次摂動理論を2次項に拡張することで、非線形歪みをより高精度に解析的にモデル化し、1シンボルあたり1サンプルの単一段階処理を実現する。この手法により、1次手法よりも大幅に伝送距離と性能が向上し、EDC比で32.2%、FO-PB-NLC比で14%の距離向上が2800 kmで達成された。

ABSTRACT

The first-order (FO) perturbation theory has been widely investigated to design the digital nonlinearity compensation (NLC) technique to deal with the intra-channel fiber nonlinearity effect in coherent optical communication systems. The main advantages of the perturbation theory-based approach are the possibility of the implementation on a single stage for the entire fiber link and one sample per symbol operation. In this paper, we propose to extend the FO perturbation theory-based NLC (FO-PB-NLC) technique to the second-order (SO), referred to as the SO-PB-NLC, to enhance the NLC performance. We present a comprehensive theoretical analysis for the derivation of the SO nonlinear distortion field, which is the foundation for the SO-PB-NLC technique. Through numerical simulations, we show that the proposed SO-PB-NLC technique significantly enhances the NLC performance and the maximum transmission reach when compared to the FO-PB-NLC technique. Then, the performance of the SO-PB-NLC technique is compared with that of the benchmark digital back-propagation (DBP).

研究の動機と目的

• 高出力インジェクションおよび高次モードフォーマット下での1次摂動理論に基づく非線形性補償（FO-PB-NLC）の性能劣化を解消すること。
• 非線形性が増加するにつれて高次項の切り捨てにより不正確になるFO-PB-NLCの限界を克服すること。
• より正確な非線形歪みダイナミクスを捉える、2次摂動理論に基づく非線形性補償（SO-PB-NLC）手法を開発すること。
• 実装に適したハードウェアを想定し、単一段階・1シンボルあたり1サンプルの処理フレームワークを実現することで、非線形性閾値と伝送距離を向上させること。
• 数値的精度に優れるデジタルバックプロパゲーション（DBP）の代替手段として、計算量を低減しつつFO-PB-NLCを上回る性能を実現する。

提案手法

• 非線形シュレーディンガー方程式（NLSE）に2次摂動理論を適用し、ガウス型入力パルスを仮定して2次非線形歪み場を導出する。
• 非線形歪みを2つの項（SO-Term1 と SO-Term2）の和としてモデル化し、それぞれがファイバーのパラメータと信号特性から導かれる複素係数を含む。
• 顕著な係数を保持するために40 dB基準に基づく切り捨て閾値を適用し、計算負荷を低減する。
• 類似インデックス項における±0.5の差を無視する量子化手法を導入し、一意な係数の数を著しく削減する。
• 導出された2次係数を用いて送信側にプリディストータを設計し、ファイバー由来の非線形劣化を事前補償する。
• チャネル分散と Kerr 非線形性の両方を補償しつつ、ハードウェア複雑度を低く保つために、単一段階・1シンボルあたり1サンプルの処理フレームワークを採用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1次摂動理論を2次項に拡張することで、高速光通信システムにおける非線形性補償性能が顕著に向上するか？
• RQ2 SO-PB-NLC手法は、FO-PB-NLCおよびデジタルバックプロパゲーション（DBP）と比較して、誤りビットレート（BER）および最大伝送距離においてどのように差をつけるか？
• RQ3 SO-PB-NLC手法は、電子分散補償（EDC）および FO-PB-NLC と比較して、非線形性閾値をどの程度向上させるか？
• RQ4 係数の切り捨ておよび量子化が、SO-PB-NLC手法の計算複雑度と性能に与える影響は何か？
• RQ5 SO-PB-NLCの単一段階・1シンボルあたり1サンプルの実装は、複雑度を低く保ちつつDBPに近い性能を達成できるか？

主な発見

• SO-PB-NLC手法は、7%のオーバーヘッドを持つハードデシジョンFEC限界において最大3280 kmの伝送距離を達成し、EDC（2480 km）比で32.2%の向上、FO-PB-NLC（2880 km）比で14%の向上を達成した。
• 2800 kmでSO-PB-NLCはEDC比で5.3 dB、FO-PB-NLC比で1.7 dBの非線形性閾値向上を達成し、出力パワー耐性が向上していることを示した。
• 全出力パワー範囲において、SO-PB-NLCのBER性能はFO-PB-NLCおよびEDCを著しく上回り、特に高パワー領域で差が拡大した。
• DBPは数値的に正確な手法であるが、PB-NLCで用いられる1スパン近似のため、同じ伝送距離においてSO-PB-NLCはDBPを上回る非線形性閾値を達成した。
• 提案された量子化および切り捨て戦略により、類似インデックス項における±0.5の差を無視することで、必要な非線形性係数の数を著しく削減し、実装の複雑度を低減した。
• 2次摂動理論により、単一段階・1シンボルあたり1サンプルの処理方式を実現でき、ハードウェア複雑度を低く保ちつつ、FO-PB-NLCを上回る優れた性能を達成した。