[논문 리뷰] Introducing the Generalized GN-model for Nonlinear Interference Generation including space/frequency variations of loss/gain

Mattia Cantono, Dario Pilori외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 05.

Optical Network Technologies참고 문헌 4인용 수 34

한 줄 요약

이 논문은 주파수 및 공간에 따라 변화하는 손실/이득 프로파일, 분포형 확대, 그리고 광섬유 시스템 내 라만 교차 간섭을 고려하는 일반화된 가우시안 노이즈(GGN) 모델을 소개한다. 변동 이득/손실를 갖는 맨코프 방정식의 섭동 해를 일반화함으로써, 특히 비균일한 확대 또는 SRS 효과가 존재할 경우 초광대역 코herent 시스템에서 비선형 간섭(NLI)의 전력 스펙트럼 밀도를 정확하게 예측할 수 있다.

ABSTRACT

We develop and present a generalization of the GN-model - the generalized Gaussian noise (GGN) model - to enabling a fair application of GN-model to predict generation of nonlinear interference when loss parameters relevantly vary with frequency and/or distributed amplification applies selectively to portions of the exploited spectrum and/or stimulated-Raman-scattering-induced crosstalk is relevant.

연구 동기 및 목표

• 손실/이득 프로파일이 주파수 또는 스팬 위치에 따라 변할 경우 기존 GN-모델이 비선형 간섭(NLI)을 예측하는 데 한계를 보이는 문제를 해결한다.
• 스펙트럼 전역에 걸쳐 선택적으로 적용된 분포형 확대를 갖는 시스템에서 정확한 NLI 추정을 가능하게 한다.
• 자극된 라만 산란(SRS)에 의한 교차 간섭을 NLI 예측 프레임워크에 통합한다.
• 기존 모델의 가정을 초월하여 초광대역 전송(다수의 THz)을 다룰 수 있도록 GN-모델을 확장한다.
• 단일 및 双극화 신호에 대해 가우시안 및 비가우시안 변조 포맷 모두에 적용 가능한 엄밀한 섭동 유도를 제공한다.

제안 방법

• 주파수 및 공간에 따라 변화하는 이득/손실 프로파일을 포함하기 위해 맨코프 방정식의 섭동 해를 $ g(z,f) $ 함수를 통해 일반화하여 모드 진폭 진동을 조절한다.
• 변동 이득/손실이 스펙트럼 성분에 미치는 누적 효과를 기록하기 위해 전파 인자 $ \rho(z,f) = \text{exp}\big(\big)\big) $ 를 정의한다.
• 일반화된 GN-모델을 사용하여 세 개의 상호작용 주파수 성분의 위상 및 진폭 진동을 고려한 NLI 전력 스펙트럼 밀도(PSD)를 유도한다.
• 서로 다른 주파수에서 이득이 비균일하게 분포할 경우를 고려하기 위해 정규화된 이득/손실 비율 $ \Delta\rho(z,f,f_1,f_2) = \frac{\rho(\zeta,f_1)\rho(\zeta,f_1+f_2-f)\rho(\zeta,f_2)}{\rho(\zeta,f)} $ 을 도입한다.
• 모든 상호작용 주파수 삼중체에 대한 통합을 통해 최종 NLI PSD를 구성하며, 이는 전송 신호의 스펙트럼 형상 $ G_{\text{TX}}(f) $ 와 위상 불일치 $ \Delta\beta(f_1,f_2,f) $ 에 의해 가중된다.
• GN-모델의 관행에 따라 스팬 간 비상관 또는 상관적 누적 방식을 적용하여 다중 스팬 링크 모델링을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 손실 및 이득이 주파수 및 섬유 스팬에 따라 변화할 경우 GN-모델을 어떻게 일반화하여 NLI를 정확히 예측할 수 있는가?
• RQ2 제한된 스펙트럼 커버리지를 갖는 분포형 라만 확대가 초광대역 광학 시스템에서 NLI 생성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 SRS에 의한 교차 간섭은 기존 NLI 추정 모델의 정확성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 맨코프 방정식에 대한 섭동 접근법을 어떻게 확장하여 가우시안 및 비가우시안 신호의 정상 대역폭을 초월해도 정확도를 유지할 수 있는가?
• RQ5 서로 다른 주파수 성분 간의 변수 이득/손실 및 위상 불일치를 포함한 일반화된 NLI PSD의 수학적 형태는 무엇인가?

주요 결과

• GGN-모델은 주파수 및 공간에 따라 변화하는 이득/손실를 고려하는 엄밀한 GN-모델의 확장으로, 비균일한 확대 또는 SRS 교차 간섭이 존재하는 시스템에서 정확한 NLI 예측을 가능하게 한다.
• 특히 펋성 가우시안 신호 및 극화 multiplexed 포맷에서, 맨코프 방정식의 일반적으로 허용되는 한계를 크게 초월하는 대역폭에서도 유효성을 유지한다.
• 핵심 결과는 식(24)에 제시된 일반화된 NLI PSD 표현식으로, 위상 불일치 항 $ \Delta\beta $ 와 변수 이득 인자 $ \Delta\rho $ 를 포함하여 복잡한 이득 프로파일 하에서의 NLI 정밀 모델링을 가능하게 한다.
• 만약 $ g(z,f) $ 가 일정하다면 모델은 표준 GN-모델로 정확히 축소되며, 이는 이전 연구와의 일관성을 확인한다.
• 섭동 가정이 유효한 수준인 약 2 dBm/채널 이하의 전력 수준까지 유도가 안정적이다.
• 비상관 및 상관적 스팬 간 NLI 누적 방식을 모두 지원하여, 이득 프로파일이 변하는 다중 스팬 광링크에의 적용을 가능하게 한다.