[논문 리뷰] Joint Superchannel Digital Signal Processing for Ultimate Bandwidth Utilization

Mikael Mazur, Jochen Schröder외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 06.

Optical Network Technologies참고 문헌 48인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 광주파수콤을 사용하여 공동 초채널 디지털 신호 처리를 제안함으로써, 가드밴드가 없는 초뉴이퀴스트 전송을 가능하게 하여 스펙트럼 효율성을 높이며, 두 번째 샘플링 당 심볼 수를 가진 수신기에서 콤의 안정성과 앨리어싱을 활용함. 이 방법은 최적의 가드밴드를 1 GHz에서 500 MHz로 감소시키고 롤오프를 1%에서 10%로 증가시켜, 업샘플링이나 추가 등화 단계 없이도 더 높은 처리량과 개선된 내구성을 달성함.

ABSTRACT

Modern optical communication systems transmit multiple frequency channels, each operating very close to its theoretical limit. The total bandwidth can reach 10THz limited by the optical amplifiers. Maximizing spectral efficiency, the throughput per bandwidth is thus crucial. Replacing independent lasers with an optical frequency comb can enable very dense packing by overcoming relative drifts. However, to date, interference from non-ideal spectral shaping prevents exploiting the full potential of frequency combs. Here, we demonstrate comb-enabled multi-channel digital signal processing, which overcomes these limitations. Each channel is detected using an independent coherent receiver and processed at two samples-per-symbol. By accounting for the unique comb stability and exploiting aliasing in the design of the dynamic equalizer, we show that the optimal spectral shape changes, resulting in a higher signal to noise ratio that pushes the optimal symbol rate towards and even \emph{above} the channel spacing, resulting in the first example of frequency-domain super-Nyquist transmission with multi-channel detection for optical systems. The scheme is verified both in back-to-back configuration and in single span transmission of a 21 channel superchannel originating from a 25GHz-spaced frequency comb. By jointly processing 3 wavelength channels at a time, we achieve spectral efficiency beyond what is possible with independent channels. At the same time, one significantly relaxes the hardware requirements on digital-to-analog resolution and bandwidth, and well as filter tap numbers. Our results show that comb-enabled multi-channel processing can overcome the limitations of classical dense wavelength division multiplexing systems by enabling tighter spacing to reach the ultimate spectral efficiency in optical communications.

연구 동기 및 목표

• 가드밴드와 채널 간 간섭으로 인해 발생하는 밀도 높은 WDM 시스템의 스펙트럼 효율성 한계를 극복하기 위해.
• 광주파수콤의 주파수 고정 안정성을 활용하여 초채널에서 큰 가드밴드가 필요 없도록 하기 위해.
• 공동 다중채널 디지털 신호 처리를 통해 초뉴이퀴스트 전송(심볼 속도 > 채널 간격)을 가능하게 하기 위해.
• 최적의 스펙트럼 형상화를 통해 등화기 간수를 최소화하고 업샘플링을 피하여 하드웨어 복잡성을 감소시키기 위해.
• 공동 처리가 시스템 지연이나 계산 부담을 증가시키지 않으면서도 신호 대 잡음비와 시스템 내성 향상을 가능하게 할 수 있는지 확인하기 위해.

제안 방법

• 상대적 레이저 주파수 드리프트를 제거하기 위해 25 GHz 간격의 광주파수콤을 안정적이고 동기 신호원으로 사용함.
• 21개의 채널 각각을 심볼당 두 번의 샘플링으로 동기 검출함으로써, 업샘플링 없이도 베이스밴드 처리가 가능함.
• 주어진 콤의 내재된 주파수 고정 특성을 활용하여 동적 MIMO 등화기를 확장하여 채널 간 교차 캐리어를 공동으로 완화함.
• 신호 업컨버전이 필요 없도록 하기 위해 등화기 설계에서 의 intensional 앨리어싱을 활용함으로써 하드웨어 요구사항을 단순화함.
• 등화기 메모리 감소와 전송기 수신기 잡음에 대한 내성 향상을 위해 스펙트럼 형상이 최적화됨.
• 각 채널별로 공동 분산 보정이 적용되어, 개별 채널의 독립성을 유지하면서도 부드러운 필터 응답을 유지함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존의 가드밴드가 있는 밀도 높은 WDM 시스템의 스펙트럼 효율성 한계를 공동 다중채널 디지털 신호 처리가 극복할 수 있는가?
• RQ2 광주파수콤의 주파수 고정 특성을 활용하면 자유 주행 레이저보다 더 높은 간섭 제거 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ3 심볼당 두 번의 샘플링 시스템에서 앨리어싱을 통해 초뉴이퀴스트 전송에서 업샘플링을 얼마나 대체할 수 있는가?
• RQ4 동적 등화를 통해 채널 간 간섭을 공동으로 보정할 경우 최적의 스펙트럼 롤오프 계수는 얼마인가?
• RQ5 공동 처리를 통해 DAC 해상도나 필터 탭 수 등 하드웨어 복잡성을 줄일 수 있을까? 동시에 신호 대 잡음비와 시스템 전송 거리 향상을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 백투백 및 80 km 전송 모두에서 효과적인 가드밴드가 1 GHz에서 500 MHz로 감소하여 뚜렷한 스펙트럼 효율성 향상을 입증함.
• 최적의 스펙트럼 롤오프가 1%에서 10%로 증가하여 전송기 수신기 잡음에 대한 내성 향상과 등화기 메모리 감소를 가능하게 함.
• 업샘플링 없이 주파수 도메인 간섭 제거를 통해 초뉴이퀴스트 전송(심볼 속도 > 채널 간격)을 달성함.
• 공동 처리 기법이 효과적인 신호 대 잡음비를 향상시켜 더 높은 처리량 또는 더 긴 전송 거리 가능성을 제공함.
• 업샘플링이 필요 없고 필터 탭 수를 최소화함으로써 하드웨어 복잡성을 감소시키면서도 높은 성능 유지함.
• 결과는 콤 기반 초채널과 공동 DSP가 내재된 콤 안정성과 등화기 설계에서의 앨리어싱을 활용함으로써 궁극적인 스펙트럼 효율성을 달성할 수 있음을 확인함.