[논문 리뷰] Enabling high spectral efficiency coherent superchannel transmission with soliton microcombs

Mikael Mazur, Myoung‐Gyun Suh외 6명|arXiv (Cornell University)|2018. 12. 22.

Advanced Fiber Laser Technologies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 안정적이고 좁은 라인 간격(22.1 GHz)을 갖는 광주파수 복합체를 제공함으로써 고스펙트럼 효율성(coherent superchannel) 전송을 가능하게 하는 칩스케일 솔리톤 마이크로콤을 구현한다. 시스템은 82 km 구간에서 12 Tb/s 전송을 달성하며 스펙트럼 효율성이 10 비트/초/㎐를 초과하고, 2000 km 이상 구간에서는 6 비트/초/㎐ 이상을 기록하여 이전의 마이크로콤 기반 시스템을 뛰어넘고, 대체로 대형 광학 장치 기반 기준 수준에 도달한다.

ABSTRACT

Optical communication systems have come through five orders of magnitude improvement in data rate over the last three decades. The increased demand in data traffic and the limited optoelectronic component bandwidths have led to state-of-the-art systems employing hundreds of separate lasers in each transmitter. Given the limited optical amplifier bandwidths, focus is now shifting to maximize the spectral efficiency, SE. However, the frequency jitter from neighbouring lasers results in uncertainties of the exact channel wavelength, requiring large guardbands to avoid catastrophic channel overlap. Optical frequency combs with optimal line spacings (typically around 10-50 GHz) can overcome these limitations and maximize the SE. Recent developments in microresonator-based soliton frequency combs (hereafter microcombs) promise a compact, power efficient multi-wavelength and phase-locked light source for optical communications. Here we demonstrate a microcomb-based communication link achieving state-of-the-art spectral efficiency that has previously only been possible with bulk-optics systems. Compared to previous microcomb works in optical communications, our microcomb features a narrow line spacing of 22.1 GHz. In addition, it provides a four order-of-magnitude more stable line spacing compared to free-running lasers. The optical signal-to-noise ratio (OSNR) is sufficient for information encoding using state-of-the-art high-order modulation formats. This enables us to demonstrate transmission of a 12 Tb/s superchannel over distances ranging from a single 82 km span with an SE exceeding 10 bits/s/Hz, to 2000 km with an SE higher than 6 bits/s/Hz. These results demonstrate that microcombs can attain the SE that will spearhead future optical networks.

연구 동기 및 목표

• 기존 WDM 및 옵토일렉트로닉 구성 요소의 대역폭 제한으로 인해 증가하는 고스펙트럼 효율성 요구에 대응하기 위해.
• 다중 레이저 전송기에서의 주파수 제동 문제를 해결하기 위해 개별 레이저를 위상 잠금된 좁은 라인 간격의 광주파수 복합체로 대체함으로써.
• 솔리톤 마이크로콤의 안정성과 간섭성에 기반해 고차원 변조 형식(예: 64QAM, 256QAM)을 활용해 낮은 오버헤드로 고스펙트럼 효율성 전송을 가능하게 하기 위해.
• 마이크로콤이 이전에는 대형 광학 장치 시스템에서만 달성 가능했던 스펙트럼 효율성을 실현할 수 있음을 입증하여 향후 소형·저전력 전송기의 가능성을 열기 위해.
• 실시간 DSP 및 현장 구현 가능한 구성 요소(예: 리시클링 루프, 간섭성 수신기)를 사용해 장거리 전송(최대 2000 km) 조건에서 시스템 성능을 검증하기 위해.

제안 방법

• 초고 품질 인덕션 실리카 마이크로레조너를 사용해 반복 주파수 22.1 GHz를 갖는 솔리톤 주파수 복합체를 생성함으로써 초채널 형성에 사용 가능한 52개의 복합선을 확보함.
• 연속파 레이저를 EDFA를 통해 증폭하여 마이크로레조너를 자극함으로써 안정적이고 위상 잠금된 주파수 복합체를 생성함. 이 복합체는 100 Hz 이내의 라인폭 안정성을 확보함.
• 펌프 레이저 선을 섬유 브래그 격자로 억제하고 복합체 스펙트럼을 평탄화하여 각 채널 간에 균일한 전력 분포를 확보함으로써 일관된 변조를 가능하게 함.
• 5개의 테스트 채널을 사용한 테스트 로딩 밴드 방식을 통해 각 복합선에 대해 고차원 QAM 변조(16, 64, 256QAM)를 모ulating할 수 있도록 시뮬레이션함.
• 다중화기를 통해 변조된 채널을 통합하고 단일 스팸 82 km SSMF 또는 EDFA 기반 손실 보상이 적용된 2000 km 리시클링 루프에 초채널을 전송함.
• 23 GHz 아날로그 대역폭 수신기를 사용해 간섭성 검출을 수행하고, 장거리 전송를 위해 피LOT 기반 보정 및 블라인드 단계 복구 기법이 적용된 오프라인 디지털 신호 처리(DSP)를 수행함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 칩스케일 솔리톤 마이크로콤은 고용량 광통신 전송에서 대형 광학 장치 기반 초채널 시스템과 비교해 유사한 스펙트럼 효율성을 달성할 수 있는가?
• RQ2 마이크로콤의 라인 간격 안정성(22.1 GHz)이 자유 주행 레이저에 비해 채널 간 간섭과 가드밴드 요구 사항을 얼마나 줄이는가?
• RQ3 장거리 섬유 스팬에서 고차원 변조 형식(예: 64QAM, 256QAM)을 사용할 경우 마이크로콤 기반 초채널의 실현 가능한 스펙트럼 효율성과 넷 데이터 전송 속도는 얼마인가?
• RQ4 편지성 스캐닝 및 노이즈 조건을 포함한 실제 환경에서 일반화된 상호정보량(GMI)과 비트 오류율(BER) 측면에서 시스템 성능은 어떠한가?
• RQ5 마이크로콤 기반 전송기는 2000 km 이상 거리에서 스펙트럼 효율성이 6 비트/초/㎐를 초과하는 가용성, 저에너지, 고처리량 광학 네트워크를 실현할 수 있는가?

주요 결과

• 솔리톤 마이크로콤은 자유 주행 레이저 대비 4개의 주기적 안정성 향상을 보였으며, 3시간 동안의 장기 반복 주파수 안정성이 100 Hz 이내로 확보됨.
• 단일 스팸 82 km 섬유에서 PM-64QAM를 사용해 스펙트럼 효율성을 10.2 비트/초/㎐로 달성하였으며, 일반화된 상호정보량(GMI)은 10.2 비트/초/㎐이고, 전-FEC BER은 4×10⁻²이었음.
• 2000 km 리시클링 루프에서 PM-16QAM를 사용해 스펙트럼 효율성을 6.1 비트/초/㎐로 달성하였으며, GMI는 6.1 비트/초/㎐이고, 전-FEC BER은 4×10⁻²이었음.
• 광신호대노이즈비(OSNR)가 고차원 변조 형식을 지원할 수 있을 정도로 충분하여 고급 DSP 기법의 데이터 보조 수렴 없이도 구현 가능함.
• 가드밴드(2.8%)와 DSP 피LOT 오버헤드를 고려한 실질적인 넷 스펙트럼 효율성 추정치를 위해 GMI 기반으로 가능 정보율(AIR)을 계산함.
• 결과적으로 마이크로콤 기반 초채널이 대형 광학 장치 시스템의 성능을 재현할 수 있음을 확인하였으며, 향후 다이터라비트 대역폭과 저에너지 소비를 갖춘 전적으로 광학적으로 루팅된 네트워크의 실현 가능성을 시사함.