[논문 리뷰] Advanced Distributed Submarine Cable Monitoring and Environmental Sensing using Constant Power Probe Signals and Coherent Detection

Mikael Mazur, Nicolas K. Fontaine외 7명|arXiv (Cornell University)|2023. 03. 12.

Integrated Circuits and Semiconductor Failure Analysis인용 수 9

한 줄 요약

본 논문은 FPGA 기반의 coherent optical frequency domain reflectometry(C-OFDR) 구성을 해저 케이블 모니터링에 적용하여, 일정 전력 프로브를 통한 위상일관 처리로 높은 SNR을 달성하고 대양 해저 케이블을 횡단하는 코히런트 처리(coherent processing)를 구현합니다. 또한 코히런트 모니터링을 전력-SNR 방법과 비교하고, 약 80개의 중계기(repeaters) 간의 1초 평균으로 연속적인 위상/편광(phase/polarization) sensing을 보입니다.

ABSTRACT

In this work we demonstrate an FPGA-based coherent optical frequency domain reflectometry setup for cable monitoring. Using coherent detection for averaging and narrowband filtering, we significantly improve the signal-to-noise ratio (SNR) compared to traditional intensity-only techniques while also enabling continuous monitoring of phase and polarization. In addition, the probe signal has constant power, avoiding the nonlinear distortions and thereby enabling continuous use without interfering with data channels. We perform a field demonstration over a trans-oceanic cable using loopback configurations present in each repeater, demonstrating measurement SNR exceeding 30 dB for all about 80 repeaters with an averaging window of 1 second. We furthermore compare cable monitoring using coherent processing to today's solutions using power-only measurements. Our results show how transitioning to coherent technology for cable monitoring can improve sensitivity and enable new types of monitoring, exploring knowledge gained from transitioning from incoherent to coherent data transmission.

연구 동기 및 목표

• 분산형 해저 케이블 모니터링을 위한 FPGA 기반의 코히런트 광 주파수 영역 반사도 측정(C-OFDR)을 시연한다.
• 평균화, 필터링 및 연속적인 위상/편광 모니터링을 위한 코히런트 검출의 이점을 보여준다.
• 데이터 채널과의 비선형 왜곡 및 간섭을 피하기 위해 상수전력 프로브 신호를 검증한다.
• 루프백 구성을 가진 중계기를 이용한 초대양 케이블에서의 현장 시연을 제공한다.
• 코히런트 처리를 전통적인 전력-만 모니터링 방식과 비교한다.

제안 방법

• FPGA 기반의 코히런트 광 주파수 영역 반사도 측정 구성을 사용한다.
• 코히런트 검출에 의해 가능해진 평균화 및 협대역 필터링을 적용하여 SNR을 향상시킨다.
• 데이터 채널의 비선형 왜곡 및 간섭을 방지하기 위해 상수전력 프로브 신호를 사용한다.
• 중계기의 루프백 구성을 활용하여 초대양 해저 케이블에서 현장 시연을 수행한다.
• 약 80개의 중계기에 걸쳐 1초 평균 창으로 SNR이 30 dB를 초과하는 측정을 수행한다.
• 코히런트 모니터링 결과를 파워-온리 모니터링 방식과 대조한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전통적인 강도 기반 방법과 비교할 때 코히런트 OFDR이 해저 케이블에 대해 더 높은 감도와 연속적인 위상/편광 모니터링을 제공할 수 있는가?
• RQ2 상수전력 프로브와 1초 평균을 사용하여 긴 초대양 연결에서 어떤 SNR과 모니터링 신뢰도를 달성할 수 있는가?
• RQ3 분산 해저 케이블에서 코히런트 처리(coherent processing)가 어떤 새로운 유형의 환경 감지 및 케이블 건강 모니터링을 가능하게 하는가?

주요 결과

• 평균화와 협대역 필터링이 적용된 코히런트 검출은 강도 기반 기법보다 더 높은 SNR을 제공한다.
• 상수전력 프로브 신호는 비선형 왜곡을 피하고 데이터 채널과의 간섭을 방지한다.
• 약 80개의 중계기에 걸쳐 1초 평균으로 SNR > 30 dB를 보여주는 초대양 케이블에서의 현장 시연.
• 코히런트 처리는 케이블 전반에 걸친 위상과 편광의 연속 모니터링을 가능하게 한다.
• 해저 케이블 모니터링에서 비코히런트 모니터링에서 코히런트 모니터링으로의 전환에 잠재적으로 이점을 가질 수 있음을 시사한다.