[論文レビュー] Joint Superchannel Digital Signal Processing for Ultimate Bandwidth Utilization

Mikael Mazur, Jochen Schröder+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 6, 2019

Optical Network Technologies参考文献 48被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、光周波数コンブを用いた共同スーパーチャネルデジタル信号処理を提案し、ガードバンドをゼロにすることでスーパーナイキスト伝送を実現し、コンブの安定性と2サンプル/シンボル受信における aliasing を活用することでスペクトル効率を向上させる。この手法により、最適なガードバンドを1 GHzから500 MHzに短縮し、ロールオフを1%から10%に増加させ、アップサンプリングや追加のイコライジング段階を必要とせずに、より高いスループットと耐障害性を実現する。

ABSTRACT

Modern optical communication systems transmit multiple frequency channels, each operating very close to its theoretical limit. The total bandwidth can reach 10THz limited by the optical amplifiers. Maximizing spectral efficiency, the throughput per bandwidth is thus crucial. Replacing independent lasers with an optical frequency comb can enable very dense packing by overcoming relative drifts. However, to date, interference from non-ideal spectral shaping prevents exploiting the full potential of frequency combs. Here, we demonstrate comb-enabled multi-channel digital signal processing, which overcomes these limitations. Each channel is detected using an independent coherent receiver and processed at two samples-per-symbol. By accounting for the unique comb stability and exploiting aliasing in the design of the dynamic equalizer, we show that the optimal spectral shape changes, resulting in a higher signal to noise ratio that pushes the optimal symbol rate towards and even \emph{above} the channel spacing, resulting in the first example of frequency-domain super-Nyquist transmission with multi-channel detection for optical systems. The scheme is verified both in back-to-back configuration and in single span transmission of a 21 channel superchannel originating from a 25GHz-spaced frequency comb. By jointly processing 3 wavelength channels at a time, we achieve spectral efficiency beyond what is possible with independent channels. At the same time, one significantly relaxes the hardware requirements on digital-to-analog resolution and bandwidth, and well as filter tap numbers. Our results show that comb-enabled multi-channel processing can overcome the limitations of classical dense wavelength division multiplexing systems by enabling tighter spacing to reach the ultimate spectral efficiency in optical communications.

研究の動機と目的

• ガードバンドとチャネル間干渉によって引き起こされるスペクトル効率の制限を克服すること。
• 光周波数コンブの周波数ロックされた安定性を活用して、スーパーチャネルにおける大規模なガードバンドの必要性を排除すること。
• 共同マルチチャネルデジタル信号処理を通じて、スーパーナイキスト伝送（シンボルレート > チャネル間隔）を実現すること。
• 最適化されたスペクトル形状により、アップサンプリングを回避し、フィルタータップ数を最小限に抑えることで、ハードウェアの複雑さを低減すること。
• 共同処理がシステム遅延や計算負荷を増加させることなく、信号対雑音比を向上させ、システム耐性を向上させられることを実証すること。

提案手法

• 相対的レーザー周波数ドリフトを排除するために、25 GHz間隔の光周波数コンブを安定したコherent送信源として使用する。
• 21チャンネルすべてを、2サンプル/シンボルでコherent検出することで、アップサンプリングを伴わないベースバンド処理を可能にする。
• コンブの内在的な周波数ロックを活用して、複数入出力（MIMO）イコライザを拡張し、チャネル間クロストークを共同で低減する。
• 信号のアップコンバージョンの必要性を排除するために、イコライザ設計において意図的に aliasing を利用する。
• ロールオフを1%から10%に増加させることでスペクトル形状を最適化し、イコライザのメモリを低減するとともに、受信機インピーダンスへの耐性を向上させる。
• 各チャネルごとに共同分散補償を適用し、滑らかなフィルタ応答を維持しながらも、個々のチャネルの独立性を保つ。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 共同マルチチャネルデジタル信号処理は、ガードバンドを伴う従来の密波分多路（WDM）システムのスペクトル効率の制限を克服できるか？
• RQ2 光周波数コンブの周波数ロックされた性質を活用することで、自由走行レーザーとは異なり、より高い干渉キャンセリングが可能になるか？
• RQ3 2サンプル/シンボルシステムにおける aliasing は、スーパーナイキスト伝送のアップサンプリングをどの程度代替できるか？
• RQ4 チャネル間干渉が動的イコライジングにより共同で低減される場合、最適なスペクトルロールオフ係数は何か？
• RQ5 共同処理により、DAC解像度やフィルタータップ数などのハードウェア複雑さを低減しながら、信号対雑音比とシステム伝送距離を向上させられるか？

主な発見

• バックツバックおよび80 km伝送の両方において、有効なガードバンドが1 GHzから500 MHzに短縮され、顕著なスペクトル効率の向上が確認された。
• 最適なスペクトルロールオフが1%から10%に増加し、受信機インピーダンスへの耐性が向上するとともに、イコライザのメモリが低減した。
• アップサンプリングを伴わず、周波数ドメイン干渉キャンセリングによりスーパーナイキスト伝送（シンボルレート > チャネル間隔）が達成された。
• 共同処理方式により、有効な信号対雑音比が向上し、より高いスループットまたは延長伝送距離が可能になった。
• アップサンプリングの必要性を排除し、フィルタータップ数を最小限に抑えることで、ハードウェアの複雑さを低減しながらも、高い性能を維持した。
• 結果から、コンブベースのスーパーチャネルと共同DSPを組み合わせることで、コンブの内在的安定性とイコライザ設計における aliasing を活用することで、究極のスペクトル効率を達成できることが確認された。