[論文レビュー] Multi-Rate Nyquist-SCM for C-Band 100Gbit/s Signal over 50km Dispersion-Uncompensated Link

Haide Wang, Ji Zhou+7 more|arXiv (Cornell University)|Jul 25, 2021

Optical Network Technologies参考文献 42被引用数 14

ひとこと要約

本稿では、分散補償なしの50kmファイバー・リンクを介したCバンド100Gbit/s強度変調・直接検出（IM/DD）伝送に向け、マルチレート・ニューキストサブキャリア変調（SCM）方式を提案する。周波数選択的サブキャリア割り当てと、フィードフォワードエ Qualizer（FFE）、ポストフィルタ、最大尤度系列推定（MLSE）を組み合わせた適応的チャネルマッチド検出により、色収差（CD）に起因するスペクトルノードを低減する。受信光パワー−4dBmで7%ハードデシジョンFEC限界および平均正規化一般相互情報量（NGMI）0.967を達成し、CD耐性と高いスペクトル効率を示している。

ABSTRACT

In this paper, to the best of our knowledge, we propose the first multi-rate Nyquist-subcarriers modulation (SCM) for C-band 100Gbit/s signal transmission over 50km dispersion-uncompensated link. Chromatic dispersion (CD) introduces severe spectral nulls on optical double-sideband signal, which greatly degrades the performance of intensity-modulation and direct-detection systems. Based on the prior knowledge of the dispersive channel, Nyquist-SCM with multi-rate subcarriers is proposed to keep away from the CD-caused spectral nulls flexibly. Signal on each subcarrier can be individually recovered by a digital signal processing, including the feed-forward equalizer with no more than 31 taps, a two-tap post filter, and maximum likelihood sequence estimation with one memory length. Combining with entropy loading based on probabilistic constellation shaping to maximize the capacity-reach, the C-band 100Gbit/s multi-rate Nyquist-SCM signal over 50km dispersion-uncompensated link can achieve 7% hard-decision forward error correction limit and average normalized generalized mutual information of 0.967 at received optical power of -4dBm and optical signal-to-noise ratio of 47.67dB. In conclusion, the multi-rate Nyquist-SCM shows great potentials in solving the CD-caused spectral distortions.

研究の動機と目的

• 分散補償なしの光ファイバー路で生じる色収差（CD）に起因する深刻な信号劣化を是正すること。
• 光の二側帯（DSB）信号におけるCDに起因するスペクトルノードを、光学的分散補償なしで克服すること。
• マルチレートサブキャリアと高度なデジタル信号処理（DSP）を用いた柔軟で高スペクトル効率な伝送方式の開発。
• 確率的コンステレーションシェーピング（PCS）とニューキスト-SCMを統合することで、容量-距離特性を最大化すること。

提案手法

• 色収差に起因するスペクトルノードを回避するため、光学的二側帯（DSB）変調を用いたマルチレートニューキスト-SCM方式を提案する。
• フィードフォワードエ Qualizer（FFE）（最大31タップ）、2タップのポストフィルタ（PF）、および1つのメモリ長を有する最大尤度系列推定（MLSE）を組み合わせた、適応的チャネルマッチド検出（ACMD）を採用する。
• 各サブキャリアごとのビット割り当てを最適化し、スペクトル効率を最大化するために、確率的コンステレーションシェーピング（PCS）に基づくエントロピー負荷を適用する。
• 1つのDACで実装可能な、プッシュプルモード（PPM）のデュアルドライブマハーチ・ゼンダーモジュレータ（DD-MZM）を用いる。
• 色収差に起因する深刻なノードが生じる周波数帯域を回避するため、チャネル推定に基づくサブキャリア設計を採用する。
• OSNRおよび受信光パワー（ROP）の変動に対するシステム性能を評価するため、一般相互情報量（NGMI）およびFEC前BERを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 50km分散補償なしCバンドIM/DD路において、マルチレートニューキスト-SCMはCDに起因するスペクトルノードを効果的に低減できるか？
• RQ2 PCSと高度なDSPを組み合わせたマルチレートニューキスト-SCMを用いた100Gbit/s IM/DDシステムの実現可能な容量-距離特性は何か？
• RQ3 ACMDとPCSの組み合わせは、均一QAMと比較してスペクトル効率と伝送距離をどの程度向上させるか？
• RQ4 CDおよび帯域制限の下でも、FEC性能をどの程度維持できるか？
• RQ5 複雑さと性能のバランスを取るために、最適なサブキャリアレート割り当ておよびDSP構成は何か？

主な発見

• 提案されたマルチレートニューキスト-SCMは、50kmのSSMFを介し、受信光パワー−4dBmで7%ハードデシジョンFEC限界に到達した。
• 受信光パワー−4dBmで平均正規化一般相互情報量（NGMI）が0.967に達し、高いシステム信頼性とスペクトル効率を示した。
• 確率的コンステレーションシェーピング（PCS）を適用した場合、受信光パワー−4.5dBmでBERが7% HD-FEC限界未満に低下し、均一QAMと比較して約1.3dBの性能向上を達成した。
• FFEはサブキャリア1つあたり最大31タップで十分であり、ポストフィルタ係数αは周波数帯域ごとに適応的に設定（0.2～0.5）されるため、低複雑性であることが示された。
• 平均NGMIは−4dBmで0.858以上、0.9346以上に達し、それぞれ20%ソフトデシジョンFECおよび7%ハードデシジョンFECの閾値を満たした。
• ROP制限およびOSNR制限の両条件においても、安定した性能を維持でき、実用的な光ファイバー回線に適していることが確認された。