[논문 리뷰] Intra-Channel Nonlinearity Compensation Based on Second-Order Perturbation Theory

O. S. Sunish Kumar, Abdelkerim Amari외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 03.

Optical Network Technologies참고 문헌 26인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 코herent 광통신 시스템 내에서 채널 내 비선형성 완화를 향상시키기 위해 제2차 섭동 이론 기반 비선형성 보정(SO-PB-NLC) 기법을 제안한다. 제1차 섭동 이론을 제2차 항으로 확장함으로써, 비선형 왜곡을 더 정확하게 분석 모델링할 수 있으며, 이는 단일 단계, 심벌당 한 번의 샘플링 구현을 가능하게 하여 제1차 방법 대비 전송 거리와 성능을 크게 향상시킨다. 2800km에서 EDC 대비 32.2%의 거리 향상과 FO-PB-NLC 대비 14%의 성능 향상을 달성한다.

ABSTRACT

The first-order (FO) perturbation theory has been widely investigated to design the digital nonlinearity compensation (NLC) technique to deal with the intra-channel fiber nonlinearity effect in coherent optical communication systems. The main advantages of the perturbation theory-based approach are the possibility of the implementation on a single stage for the entire fiber link and one sample per symbol operation. In this paper, we propose to extend the FO perturbation theory-based NLC (FO-PB-NLC) technique to the second-order (SO), referred to as the SO-PB-NLC, to enhance the NLC performance. We present a comprehensive theoretical analysis for the derivation of the SO nonlinear distortion field, which is the foundation for the SO-PB-NLC technique. Through numerical simulations, we show that the proposed SO-PB-NLC technique significantly enhances the NLC performance and the maximum transmission reach when compared to the FO-PB-NLC technique. Then, the performance of the SO-PB-NLC technique is compared with that of the benchmark digital back-propagation (DBP).

연구 동기 및 목표

• 고출력 및 고차원 변조 포맷에서 제1차 섭동 이론 기반 비선형성 보정(FO-PB-NLC)의 성능 저하 문제를 해결한다.
• 비선형성이 증가함에 따라 고차항을 절단함으로써 정확도가 떨어지는 FO-PB-NLC의 한계를 극복한다.
• 더 정확한 비선형 왜곡 동역학을 포착할 수 있는 제2차 섭동 이론 기반 비선형성 보정(SO-PB-NLC) 기법을 개발한다.
• 실제 하드웨어 구현을 위해 단일 단계, 심벌당 한 번의 샘플링 처리를 가능하게 하며, 비선형성 임계치와 전송 거리를 향상시킨다.
• 디지털 백프로파게이션(DBP)의 계산 복잡도를 낮추되 성능는 FO-PB-NLC를 뛰어넘는 계산 효율적인 대안을 제공한다.

제안 방법

• 비선형 슈뢰딩거 방정식(NLSE)에 제2차 섭동 이론을 적용하여, 가우시안 형상의 입력 펄스를 가정한 제2차 비선형 왜곡장을 유도한다.
• 비선형 왜곡을 두 항의 합으로 모델링한다: SO-Term1과 SO-Term2로, 각각 섬유 파rameter와 신호 특성에서 유도된 복소계수를 포함한다.
• 유의미한 계수만 유지하기 위해 40 dB 기준 기반의 절단 임계값을 적용하여 계산 부담을 감소시킨다.
• 유사한 인덱스 항에 대해 ±0.5 차이를 무시하는 양자화 방법을 도입하여 고유한 계수의 수를 극적으로 감소시킨다.
• 유도된 제2차 계수를 사용해 송신기에서 예측 왜곡기(predistorter)를 설계하여 광섬유 유도 비선형 임계를 사전 보정한다.
• 색산 및 킬러 비선형성을 동시에 보정하면서도 하드웨어 복잡도를 낮추기 위해 단일 단계, 심벌당 한 번의 샘플링 처리 프레임워크를 구현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제1차 섭동 이론을 제2차 항으로 확장함으로써 고속 광통신 시스템 내 비선형성 보정 성능을 크게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 SO-PB-NLC 기법은 제1차 섭동 이론 기반 기법(FO-PB-NLC)과 디지털 백프로파게이션(DBP)에 비해 비트 오류율(BER)과 최대 전송 거리 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ3 SO-PB-NLC 기법은 전자 색산 보정(EDC)과 FO-PB-NLC에 비해 비선형성 임계치를 얼마나 향상시키는가?
• RQ4 계수 절단 및 양자화가 SO-PB-NLC 기법의 계산 복잡도와 성능에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ5 SO-PB-NLC의 단일 단계, 심벌당 한 번의 샘플링 구현 방식이 DBP 수준의 성능를 달성하면서도 낮은 복잡도를 유지할 수 있는가?

주요 결과

• SO-PB-NLC 기법은 7% 오버헤드 하드 디시전 FEC 한계에서 최대 전송 거리 3280 km를 달성하여, EDC(2480 km) 대비 32.2% 향상되고 FO-PB-NLC(2880 km) 대비 14% 향상된다.
• 2800 km에서 SO-PB-NLC는 EDC 대비 5.3 dB, FO-PB-NLC 대비 1.7 dB의 비선형성 임계치 향상을 달성하여 전송 전력에 대한 내성을 향상시킨다.
• 모든 전송 전력 수준에서 SO-PB-NLC의 BER 성능는 FO-PB-NLC와 EDC보다 뚜렷이 뛰어나며, 전력이 높아질수록 성능 격차는 더욱 커진다.
• DBP는 수치적으로 정확한 방법임에도 불구하고, PB-NLC에서 단일 스피너(Single-span) 근사를 사용함으로써 SO-PB-NLC는 동일한 전송 거리에서 DBP보다 비선형성 임계치 측면에서 뛰어난 성능를 보인다.
• 제안된 양자화 및 절단 전략은 유사 인덱스 항에서 ±0.5의 차이를 무시함으로써 필요한 비선형성 계수의 수를 크게 감소시켜 구현 복잡도를 크게 낮춘다.
• 제2차 섭동 이론 접근법은 단일 단계, 심벌당 한 번의 샘플링 처리 방식을 가능하게 하여 낮은 하드웨어 복잡도를 유지하면서도 FO-PB-NLC에 비해 뛰어난 성능를 달성한다.