[論文レビュー] Scaling Laws for Unamplified Coherent Transmission in Next-generation Short-Reach and Access Networks

Giuseppe Rizzelli, A. Nespola+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 3, 2021

Optical Network Technologies参考文献 28被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、短距離およびアクセスネットワークにおける増幅なしコherent光伝送のスケーリング則を確立し、PM-QPSKが37 kmで29 dBを超える光パワー予算（OPB）を有する場合に最大800 Gbpsをサポートできることを実証した。一方、PM-16QAMは29 dBのOPBでのみソフトFECを併用することで190 Gbpsを達成可能である。本研究は、解析的モデリングと実験的検証を統合し、光増幅を用いないコherentシステムの物理層限界を定義した。

ABSTRACT

International standardization bodies (IEEE and ITU-T) working on the evolution of transmission technologies are still considering traditional direct detection solutions for the most relevant short reach optical link applications, that are Passive Optical Networks (PON) and intra-data center interconnects. Anyway, future jumps towards even higher bit rates per wavelength will require a complete paradigm shift, moving towards coherent technologies. In this paper, we thus study both analytically and experimentally the scaling laws of unamplified coherent transmission in the short-reach communications ecosystems. We believe that, given the extremely tight techno-economic constraints, such a revolutionary transition towards coherent in short-reach first requires a very detailed study of its intrinsic capabilities in largely extending the limitation currently imposed by direct detection systems. To this end, this paper focuses on the ultimate physical layer limitations of unamplified coherent systems in terms of bit rate and power budget. The main parameters of our performance estimation model are extracted through fitting with a set of experimental characterizations and later used as the starting point of a scaling laws study regarding local oscillator power, modulator-induced attenuation, bit rate, and maximum achievable power budget. The analytically predicted performance is then verified through transmission experiments, including a demonstration on a 37-km installed metropolitan dark fiber in the city of Turin.

研究の動機と目的

• 増幅なしコherent伝送の物理層限界を、短距離およびアクセスネットワークにおいて分析すること。
• 光増幅を用いないコherentシステムの最大実現ビットレートおよびパワー予算を特定すること。
• PONおよびデータセンタ内リンクにおけるPM-QPSKおよびPM-16QAMフォーマットの、厳しいパワー予算制約下での実現可能性を評価すること。
• 37 kmのメトロポリタンダークファイバー回線を用いた実験的伝送により、解析的モデルを検証すること。
• コスト感受性の高い短距離アプリケーションにおける直接検出からcoherent技術への移行のためのロードマップを提供すること。

提案手法

• SNR_QというSNR劣化項を導入することで、SNRに依存しない実装インパイルメントを含めるように解析的性能モデルを拡張した。
• PM-QPSKおよびPM-16QAMフォーマットの実験データに合わせてモデルパラメータをフィッティングし、感度予測の正確性を確保した。
• バックトゥバックおよび37 kmのファイバー伝送実験を、28 GBaudでPM-QPSKおよびPM-16QAMを用いて実施し、モデル予測の妥当性を検証した。
• 電気光変調器の最適動作条件を、線形領域におけるピーク・ツー・ピーク電圧の最適化により実験的に特定した。
• さまざまな変調フォーマットに対して、ビットレート、局所発振器パワー、変調器由来の減衰、最大パワー予算のスケーリング則を導出した。
• システムレベルの分析により、レーザー線幅やFECのパラメータが性能に与える影響を評価した。特に高次QAMにおいて顕著であった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 典型的なPONパワー予算制約（29 dB）下で、増幅なしコherent伝送が短距離ネットワークで達成可能な最大ビットレートは何か？
• RQ2 PM-QPSKとPM-16QAMの性能を、パワー予算耐性および必要なフォワードエラー補正（FEC）の複雑さの観点から比較するとどうなるか？
• RQ3 増幅なしコherentシステムは、データセンタ内相互接続における直接検出技術の伝搬距離および容量限界をどの程度まで拡張可能か？
• RQ4 増幅なしコherent伝送を制限する主な物理層インパイルメントは何であり、それらはデータレートおよび変調フォーマットにどのようにスケーリングされるか？
• RQ5 高度なデジタル信号処理技術により、低コストのDFBレーザーを高速短距離コherentシステムで使用可能になるか？

主な発見

• PM-QPSKコherent伝送は、37 kmのファイバー回線を介して、29 dBを超える光パワー予算（OPB）を有する場合に、最大800 Gbpsのラウンドビットレートを達成した。これは、システムインパイルメントに対する高い耐性を示している。
• PM-16QAMでは、29 dBのOPBでのみ、ソフトFECアルゴリズムと高出力レーザーを併用することで190 Gbpsのビットレートが達成可能である。
• システムは、37 kmのインストール済みメトロポリタンダークファイバー回線でも優れた性能を維持しており、波長分散やファイバー非線形性の影響は観測されなかった。
• 解析的モデルは実験結果と良好に一致しており、受信感度およびシステム性能の予測に有効であることが検証された。
• PM-QPSKでは、標準PONパワー予算に対して8 dBを超えるシステムマージンが達成され、将来的なアップグレードに十分な余裕があることが示された。
• PM-64QAMは、14 dBを超える緩いOPB要件を満たすため、データセンタ内リンクにおける1波長あたり800 Gbpsの実現が可能であり、スペクトル効率の向上が可能である。