[논문 리뷰] A Real-Time Closed-Form Model for Nonlinearity Modeling in Ultra-Wide-Band Optical Fiber Links Accounting for Inter-channel Stimulated Raman Scattering and Co-Propagating Raman Amplification

Mahdi Ranjbar Zefreh, P. Poggiolini|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 04.

Optical Network Technologies참고 문헌 11인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 초광대역 광섬유 시스템에서 비선형 간섭을 위한 실시간 폐형 모델(CFM)을 제안한다. 이 모델은 상호채널 자극형 라만 분산(ISRS)과 공진행 라만 증폭을 통합한다. 가우시안 노이즈 모델에 기반하여 기계학습으로 최적화된 보정을 적용한 CFM는 C+L 대역 시스템 전반에서 빠르고 정확하며 확장 가능한 비선형성 추정을 가능하게 하여 정확도를 훼손하지 않은 채 시뮬레이션 효율을 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

In this paper, we present a novel closed-form model (CFM) for accurate and fast evaluation of nonlinear interference in modern ultrawideband coherent optical fiber communication systems. Starting from the Gaussian noise model (GN model), using reasonable approximations and machine-learning optimized improvements, we achieve an accurate CFM capable of handling ultrawide band (C+L or wider) optical fiber systems in the presence of Inter-channel Stimulated Raman Scattering (ISRS) and forward-pumped Raman amplification.

연구 동기 및 목표

• 현대의 초광대역 코herent 광섬유 시스템에서 빠르고 정확한 비선형성 모델링의 증가하는 수요를 해결하기 위해.
• 고용량 광링크에서 상호채널 자극형 라만 분산(ISRS)과 공진행 라만 증폭 간의 복잡한 상호작용을 고려하기 위해.
• 수치적 해법의 계산 부담을 극복하고 실시간 비선형 간섭 시뮬레이션을 가능하게 하는 폐형 모델을 개발하기 위해.
• 비선형 효과를 고려하여 기계학습으로 최적화된 보정을 통합함으로써 가우시안 노이즈 모델의 정확도를 향상시키기 위해.
• C+L 대역 또는 그 이상의 대역에서 운영되는 차세대 광통신 시스템의 스케일러블하고 효율적인 설계 및 최적화를 지원하기 위해.

제안 방법

• 비선형 간섭 추정의 기초로 가우시안 노이즈 모델(GNM)을 사용한다.
• 교차채널 이득 동역학을 모델링하기 위해 펌정적 접근을 사용하여 상호채널 자극형 라만 분산(ISRS)에 대한 분석적 보정을 통합한다.
• 자기진행 라만 증폭은 자극형 라만 분산를 통한 채널 간 전력 이동을 고려한 분포형 이득 프로파일을 통해 모델링된다.
• 기계학습 기법을 적용하여 보정 항목을 최적화함으로써 다양한 신호 구성과 전력 수준에서 정확도를 향상시킨다.
• 최종적으로 도출된 폐형 표현식은 반복적인 수치적 해법을 대체하여 비선형 페널티를 실시간으로 평가할 수 있게 한다.
• 모델은 다양한 채널 간격, 송신 전력, 섬유 길이를 가진 C+L 대역 구성에 대해 검증되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초광대역 광섬유 시스템에서 상호채널 자극형 라만 분산(ISRS)은 어떻게 정확하고 효율적으로 모델링할 수 있는가?
• RQ2 공진행 라만 증폭은 C+L 대역 코herent 광시스템에서 비선형 간섭에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ3 광대역 시스템에서 비선형성의 실시간 시뮬레이션을 가능하게 하면서도 높은 정확도를 유지할 수 있는 폐형 모델을 개발할 수 있는가?
• RQ4 기계학습으로 최적화된 보정 항목은 ISRS와 라만 증폭이 존재하는 조건에서 가우시안 노이즈 모델의 정확도를 어떻게 향상시키는가?
• RQ5 기존의 수치적 방법에 비해 제안된 CFM는 비선형 시스템 시뮬레이션에서 어떤 계산적 이점을 제공하는가?

주요 결과

• 제안된 폐형 모델은 C+L 대역 광섬유 시스템 전반에서 비선형 간섭을 높은 정확도로 예측하며, 전체 수치 시뮬레이션 결과와 일치한다.
• ISRS와 공진행 라만 증폭을 모델에 통합함으로써 예측 정밀도가 크게 향상되며, 특히 고강도 송신 전력과 장거리 전송 조건에서 두드러진다.
• 모델은 비선형성의 실시간 시뮬레이션을 가능하게 하여 수치적 통합 방법에 비해 계산 시간을 수십만 배 이상 단축시킨다.
• 기계학습으로 최적화된 보정 항목은 도전적인 구성 조건에서 가우시안 노이즈 모델의 평균 예측 오차를 최대 50%까지 감소시킨다.
• 모델은 다양한 채널 간격, 송신 전력 수준, 섬유 길이에 대해 강인하게 유지되어 광범위한 적용 가능성을 보여준다.
• 다양한 시스템 구성에 대한 검증을 통해 CFM이 비선형 페널티를 정확히 캡처함을 확인하였으며, 이는 시스템 설계 및 최적화에 적합하다.