[논문 리뷰] Coherent WDM Systems Using in-Line Semiconductor Optical Amplifiers

Amirhossein Ghazisaeidi|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 16.

Optical Network Technologies참고 문헌 11인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 시간 도메인 1차 섭동 이론을 기반으로 하여, 인라인 반도체 광 amplifiers(SOAs)를 사용하는 코herent WDM 시스템에서 비선형 신호 전파에 대한 처음으로 체계적인 이론적 프레임워크를 제시한다. 섬세한 분석을 통해 섬세한 신호 대 잡음비(SNR) 표현식을 유도하였으며, 이는 섬유 유도 및 SOA 유도 비선형 왜곡을 고려하여, 높은 잡음 수준과 증폭기의 이득 동역학으로 인해 성능 예측 및 최적화가 어려운 SOA 기반 코herent WDM 시스템의 성능 분석을 가능하게 한다.

ABSTRACT

A theory of nonlinear signal propagation in multi-span wavelength division multiplexed coherent transmission systems that employ the semiconductor optical amplifier as in-line amplifiers is presented for the first time. The rigorous derivation, based on time-domain first-order perturbation theory, is developed in detail. The end result is the expressions for the signal-to-noise ratio of the received sampled photocurrent, including contributions from noise, fiber-induced nonlinear distortions, and amplified-induced nonlinear distortions.

연구 동기 및 목표

• 고유한 높은 잡음 수준과 비선형 이득 동역학으로 인해 이전에 연구되지 않은 인라인 반도체 광 amplifiers(SOAs)를 활용한 코herent WDM 시스템에서 비선형 신호 전파에 대한 엄밀한 이론적 모델을 개발하는 것.
• EDFA 기반 시스템에서 사용된 시간 도메인 섭동 접근법을 SOA 기반 시스템으로 확장하여, SOA의 고유한 이득 동역학 및 잡음 특성에 적합하게 조정하는 것.
• SOA 증폭 조건 하에서 신호-신호(SS) 및 잡음-신호(NS) 비선형성 기여를 포함한 샘플링된 수신 신호의 총 비선형 왜곡 분산을 계산하는 것.
• SNR와 같은 핵심 시스템 지표에 대한 분석적 표현식을 제공하여 향후 SOA 기반 코herent WDM 전송 시스템의 성능 평가 및 최적화를 가능하게 하는 것.
• 초광대역 SOA(100 nm 이상의 이득 대역폭 가능)를 EDFAs의 실질적 대체 수 Mittel로 활용하기 위한 이론적 기반을 마련하는 것.

제안 방법

• EDFA 기반 시스템에서의 시간 도메인 1차 섭동 이론을 SOA 기반 시스템으로 확장하여, SOA의 동적 이득 반응을 반영하도록 수식 체계를 수정하는 것.
• SOA의 이득 동역학과 비선형성을 반영한 수정된 SOA 모델을 도입하여, EDFA 전용 이득 및 잡음 항을 SOA 전용 매개변수로 대체하는 것.
• 수정된 $H'$ 및 $r'$ 함수를 통해 SOA 이득 동역학을 반영한 $χ$-계수 체계를 활용하여 비선형 왜곡 분산에 대한 적분 표현식을 유도하는 것.
• SOA 이득 동역학을 $f(z)$ 및 $d(z)$ 를 통해 명시적으로 반영한 새로운 계수 $χ_{ω,s,s'}$ 와 $χ_{ω,s,s'}^{(1)}$ 를 정의하는 것.
• 신규로 수정된 SOA 기반 적분인자로, $χ$-계수와 그 켤레를 통합하여 주파수 공간에 대해 통합함으로써 총 비선형 왜곡 분산을 계산하는 것.
• 신규로 도출된 $r'$ 함수를 사용하여 $d^3\omega$, $d^4\omega$ 등의 적분을 통해 비선형 왜곡 분산의 분산을 평가함으로써 최종 SNR 표현식을 유도하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 반도체 광 증폭기(SOAs)의 동적 이득 반응이 기존의 EDFA와 비교하여 코herent WDM 시스템 내 비선형 신호 왜곡에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ2 SOA 증폭 코herent WDM 시스템에서 샘플링된 광전류의 신호 대 잡음비(SNR)에 대한 분석적 표현식은 무엇이며, 섬유 유도 및 SOA 유도 비선형성 기여를 포함하는가?
• RQ3 시간 도메인 섭동 이론은 EDFA 대신 인라인 SOA를 사용하는 시스템에서 비선형 신호 전파를 모델링하기 위해 어떻게 적응시킬 수 있는가?
• RQ4 SOA 특유의 매개변수—예를 들어 이득 동역학 및 잡음 수준—은 다중 스플랜 WDM 시스템에서 총 비선형 왜곡 분산에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 EDFA 기반 시스템에 대해 개발된 이론적 프레임워크는 SOA 기반 시스템으로 확장될 수 있을 정도로 충분한 정확도를 갖는가?

주요 결과

• 이 논문은 시간 도메인 1차 섭동 이론을 기반으로 하여, 인라인 SOAs를 사용하는 코herent WDM 시스템에서 비선형 신호 전파에 대한 처음으로 분석적 프레임워크를 제시한다.
• 샘플링된 광전류의 SNR에 대한 유도된 표현식은 섬유 유도 및 SOA 유도 비선형 왜곡 기여를 모두 포함하여 성능 예측이 가능하다.
• SOA 특유의 이득 동역학 및 위상 의존성까지 포함한 수정된 $r'$ 함수를 통해 총 비선형 신호 왜곡 분산이 계산된다.
• 이론은 SOA 증폭 조건 하에서 신호-신호(SS) 및 잡음-신호(NS) 비선형 상호작용을 다루며, 다차원 주파수 공간에 대한 명시적 적분 표현을 포함한다.
• 이 프레임워크는 SOA 이득 동역학 및 주파수 이격도에 의존하는 $r'_{\vec{\omega},m,s,s'}$ 를 포함한 적분을 통해 비선형 왜곡 분산 평가가 가능하다.
• 결과는 최근 초광대역 SOA(100 nm 이상의 이득 대역폭)의 실증이 이루어진 바를 고려할 때, SOA 기반 WDM 시스템의 최적화를 위한 기초를 제공한다.