[論文レビュー] Maximum transmission reach for optical signals in elastic optical networks employing band division multiplexing

Esteban Paz, Gabriel Saavedra|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 2020

Optical Network TechnologiesEngineering被引用数 20

ひとこと要約

本稿では、帯域分割 multiplexing (BDM) を用いた弾性光ネットワークにおける光信号の最大伝送距離を決定する手法を提案する。線形および非線形劣化要因（増幅自発放射（ASE）雑音およびチャネル間誘導ラーマン散乱（ISRS））を考慮し、閉形式のガウスノイズモデルを用いて、Eバンド、Sバンド、Cバンド、Lバンドにおける各帯域ごとの信号対雑音比（SNR）を計算する。誤り率（BER）の閾値 4.7×10⁻³、10⁻⁶、10⁻⁹ における変調方式（BPSK から 256QAM）の最大伝送距離を導出する。LバンドがASE雑音が最小で非線形特性のトレードオフが最適なため、最も長い伝送距離を達成する。

ABSTRACT

Multi-band transmission systems have emerged as a potential answer to the limited capacity of silica based optical fiber. It is based on utilizing the complete low-loss region of optical fibers. Additionally, elastic optical networks (EON) were proposed to efficiently manage limited resources in optical networks. The selection of route, modulation format and spectrum is the main problem that requires solving to operate an EON. Understanding how linear and nonlinear impairments accumulate during propagation in an optical fibre link in essential to solve this problem. Here we preset a study on the maximum reach optical signals can propagate in a multi-band environment for a variety of modulation formats with commonly used threshold values in EON.

研究の動機と目的

• 帯域分割多重（BDM）を用いたマルチバンド弾性光ネットワーク（EONs）における光信号の最大伝送距離を特定すること。
• 特にASE雑音およびチャネル間誘導ラーマン散乱（ISRS）を含む線形および非線形劣化要因が、Eバンド、Sバンド、Cバンド、Lバンドにおける信号伝送距離に与える影響を分析すること。
• 標準的なビット誤り率（BER）閾値で定義されるサービス品質要件を満たすために、各帯域ごとの最適発信パワーとSNRを計算すること。
• EONにおけるルーティング、変調レベル、スペクトラム割り当て（RMLSA）問題の定量的基盤を提供するため、一般的な変調方式の伝送距離推定値を提示すること。

提案手法

• 閉形式のガウスノイズモデル近似を用いて、ISRS、自己位相変調（SPM）、クロス位相変調（XPM）、四波混合（FWM）を考慮した非線形干渉（NLI）係数を計算する。
• ASE雑音電力は、PASE,ch = 2nsp hν(G−1) という式でモデル化する。ここで G = αL は増幅器の利得であり、α と L はファイバの減衰およびスパン長を表す。
• 各帯域ごとのSNRは、SNRch = Pch / (PASE,ch + ηPch P³ch) で計算する。ここで ηPch は信号電力および波長に依存するNLI係数である。
• 複数スパンにわたる累積雑音は非同相加算を用いて評価する：SNRch = Pch / (N·PASE,ch + N·ηch·P³ch)。ここで N はスパン数を表す。
• 各伝送帯域ごとにSNRを最大化する発信パワーを最適化し、各帯域の最適発信パワーを特定する。
• 標準的な変調方式曲線（BPSK、QPSK、16QAM、64QAM、256QAM）を用いてSNRをBERに変換し、指定されたBER閾値における最大伝送距離を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マルチバンド伝送とISRSを想定した場合、BPSK、QPSK、16QAM、64QAM、256QAM信号がEバンド、Sバンド、Cバンド、Lバンドでそれぞれどの程度の最大伝送距離を達成できるか？
• RQ2 ASE雑音とISRSによる非線形干渉（NLI）は、異なる伝送帯域におけるSNRおよび伝送距離にどのように影響を与えるか？
• RQ3 BDMを用いたEONにおいて、各帯域ごとの最適発信パワーは、SNRを最大にし、結果として伝送距離を最大化するためにどのように特定できるか？
• RQ4 BER閾値（4.7×10⁻³、10⁻⁶、10⁻⁹）ごとに、伝送距離が各帯域でどのように変化するか？
• RQ5 マルチバンド弾性光ネットワークにおいて、各変調方式が標準的なBER要件を満たすために必要なSNR閾値は何か？

主な発見

• LバンドがASE雑音が最小で非線形特性のトレードオフが最も有利なため、最高の最大伝送距離（BER閾値4.7×10⁻³で144スパン）を達成する。
• BER閾値10⁻⁹の条件下では、256QAMはLバンドで27スパンまで到達可能であるが、Eバンドではわずか5スパンにとどまる。これは帯域依存の伝送距離制限が顕著であることを示している。
• BER閾値4.7×10⁻³の条件下で、Lバンドにおける256QAMは最大144スパンまで到達可能であり、これには25.5 dBのSNR閾値が必要である。
• SバンドではBPSKがBER 4.7×10⁻³で130スパンまで到達可能であるが、Eバンドではわずか31スパンにとどまる。これは帯域間の性能格差を示している。
• BER 10⁻⁶の条件下では、64QAMはLバンドで5スパン、Cバンドで4スパンまで到達可能であるが、EバンドおよびSバンドでは256QAMの伝送は不可能である。
• Eバンドは、ASE雑音と非線形劣化要因が顕著なため、全変調方式において最低SNRと最短伝送距離を示し、長距離伝送には最も不適切である。