[논문 리뷰] Maximum transmission reach for optical signals in elastic optical networks employing band division multiplexing

Esteban Paz, Gabriel Saavedra|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 04.

Optical Network TechnologiesEngineering인용 수 20

한 줄 요약

이 논문은 유연한 광학 네트워크에서 밴드 분할 multiplexing(BDM)를 사용하여 선형 및 비선형 잡음인 증폭된 자발적 방출(ASE) 노이즈와 채널 간 자극된 라만 산란(ISRS)을 고려한 광신호의 최대 전송 거리를 결정하는 방법을 제안한다. 폐쇄형 가우시안 노이즈 모델을 사용하여 E, S, C, L 밴드에서 각 밴드의 신호 대 노이즈비(SNR)를 계산하고, BER 임계치 4.7×10⁻³, 10⁻⁶, 10⁻⁹에서 BPSK에서 256QAM까지의 변조 형식에 대한 최대 전송 거리를 도출한다. L 밴드는 가장 낮은 ASE와 최적의 비선형 상쇄 효과로 인해 가장 긴 전송 거리를 기록한다.

ABSTRACT

Multi-band transmission systems have emerged as a potential answer to the limited capacity of silica based optical fiber. It is based on utilizing the complete low-loss region of optical fibers. Additionally, elastic optical networks (EON) were proposed to efficiently manage limited resources in optical networks. The selection of route, modulation format and spectrum is the main problem that requires solving to operate an EON. Understanding how linear and nonlinear impairments accumulate during propagation in an optical fibre link in essential to solve this problem. Here we preset a study on the maximum reach optical signals can propagate in a multi-band environment for a variety of modulation formats with commonly used threshold values in EON.

연구 동기 및 목표

• 유연한 광학 네트워크(EONs)에서 밴드 분할 다중화(BDM)를 사용하여 광신호의 최대 전송 거리를 결정하기 위해.
• 특히 ASE 노이즈와 채널 간 자극된 라만 산란(ISRS)을 포함한 선형 및 비선형 잡음이 E, S, C, L 밴드 전역에서 신호 전송 거리에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 표준 비트 오류율(BER) 임계치로 정의된 서비스 품질 요구사항을 충족시키기 위해 각 밴드의 최적 도파지 전력과 SNR를 계산하기 위해.
• 공통된 변조 형식에 대한 전송 거리 추정치를 제공함으로써 EON에서의 라우팅, 변조 수준 및 스펙트럼 할당(RMLSA) 문제에 정량적 기초를 마련하기 위해.

제안 방법

• 폐쇄형 가우시안 노이즈 모델의 근사식을 사용하여 ISRS, 자기위상변조(SPM), 교차위상변조(XPM), 및 4웨이브믹싱(FWM)을 고려한 비선형 간섭(NLI) 계수를 계산한다.
• PASE,ch = 2nsp hν(G−1) 공식을 사용하여 ASE 노이즈 전력을 모델링한다. 여기서 G = αL은 증폭기 이득이며, α와 L은 섬유의 감쇠와 스팸 길이다.
• SNRch = Pch / (PASE,ch + ηPch P³ch) 공식을 사용하여 각 밴드의 SNR를 계산한다. 여기서 ηPch는 신호 전력과 파장에 따라 달라지는 NLI 계수이다.
• 다중 스팸에 걸친 누적 노이즈를 비코herent 덧셈을 통해 평가한다: SNRch = Pch / (N·PASE,ch + N·ηch·P³ch), 여기서 N은 스팸 수이다.
• 각 전송 밴드에 대해 SNR를 최대화하기 위해 도파지 전력을 최적화하여 각 밴드의 최적 도파지 전력을 식별한다.
• 표준 변조 형식 곡선(BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM, 256QAM)을 사용하여 SNR를 BER로 변환하여 지정된 BER 임계치에서 최대 전송 거리를 결정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 멀티밴드 전송에서 ISRS가 있는 BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM, 256QAM 신호의 E, S, C, L 밴드에서 최대 전송 거리는 얼마인가?
• RQ2 ASE 노이즈와 ISRS로 인한 비선형 간섭(NLI)은 각 전송 밴드에서 SNR와 전송 거리에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 BDM 기반 EON에서 SNR를 최대화하고 전송 거리를 최대화하기 위해 각 밴드의 최적 도파지 전력은 무엇인가?
• RQ4 다른 BER 임계치(4.7×10⁻³, 10⁻⁶, 10⁻⁹)에서 전송 거리가 각 밴드 간 어떻게 달라지는가?
• RQ5 멀티밴드 융합 광학 네트워크에서 표준 BER 요구사항을 충족시키기 위해 각 변조 형식에 필요한 SNR 임계치는 무엇인가?

주요 결과

• L 밴드는 가장 낮은 ASE 노이즈와 유리한 비선형 상쇄 효과로 인해 가장 높은 최대 전송 거리(4.7×10⁻³ BER 임계치에서 144 스팸)를 기록한다.
• 10⁻⁹ BER 임계치에서 256QAM은 L 밴드에서 27 스팬을 달성하지만, E 밴드는 오직 5 스팬만 지원하므로 밴드 간 전송 거리 제한이 뚜렷하다.
• 4.7×10⁻³ BER 임계치에서 L 밴드의 256QAM은 최대 144 스팬의 전송 거리를 기록하며, 이는 25.5 dB의 SNR 임계치가 필요하다.
• S 밴드는 4.7×10⁻³ BER에서 BPSK에 대해 130 스팬을 지원하지만, E 밴드는 오직 31 스팬만 지원하여 밴드 간 성능 격차를 보여준다.
• 10⁻⁶ BER에서 L 밴드의 64QAM은 5 스팬, C 밴드의 64QAM은 4 스팬을 달성하며, E 및 S 밴드에서는 256QAM에 대해 전송 거리가 없다.
• E 밴드는 높은 ASE 및 비선형 잡음로 인해 모든 변조 형식에서 가장 낮은 SNR와 가장 짧은 전송 거리를 보이며, 장거리 전송에 가장 부적합하다.