[논문 리뷰] Multi-Rate Nyquist-SCM for C-Band 100Gbit/s Signal over 50km Dispersion-Uncompensated Link

Haide Wang, Ji Zhou외 7명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 25.

Optical Network Technologies참고 문헌 42인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 50km의 분산보정되지 않은 섬유 링크를 통해 C밴드 100Gbit/s 강도변조 및 직접검출(IM/DD) 전송을 위한 다중레벨 뉴퀴스트-서브캐리어 변조(SCM) 방식을 제안한다. 주파수선택적 서브캐리어 할당과 피드포워드 에큐레이터(FFE), 후행필터, 최대우도시퀀스추정(MLSE)을 갖춘 적응형 채널매칭 검출을 통해 색산란(CD)에 의한 스펙트럼 누락을 완화한다. 수신 전력이 −4dBm일 때 7% 하드디시전 FEC 한계와 평균 정규화된 일반화 상호정보량(NGMI) 0.967을 달성하여 강력한 CD 내성과 높은 스펙트럼 효율성을 입증한다.

ABSTRACT

In this paper, to the best of our knowledge, we propose the first multi-rate Nyquist-subcarriers modulation (SCM) for C-band 100Gbit/s signal transmission over 50km dispersion-uncompensated link. Chromatic dispersion (CD) introduces severe spectral nulls on optical double-sideband signal, which greatly degrades the performance of intensity-modulation and direct-detection systems. Based on the prior knowledge of the dispersive channel, Nyquist-SCM with multi-rate subcarriers is proposed to keep away from the CD-caused spectral nulls flexibly. Signal on each subcarrier can be individually recovered by a digital signal processing, including the feed-forward equalizer with no more than 31 taps, a two-tap post filter, and maximum likelihood sequence estimation with one memory length. Combining with entropy loading based on probabilistic constellation shaping to maximize the capacity-reach, the C-band 100Gbit/s multi-rate Nyquist-SCM signal over 50km dispersion-uncompensated link can achieve 7% hard-decision forward error correction limit and average normalized generalized mutual information of 0.967 at received optical power of -4dBm and optical signal-to-noise ratio of 47.67dB. In conclusion, the multi-rate Nyquist-SCM shows great potentials in solving the CD-caused spectral distortions.

연구 동기 및 목표

• 분산보정되지 않은 링크에서 C밴드 IM/DD 시스템에서 발생하는 심한 신호 품질 저하를 해결하기 위해.
• 광학적 분산보정 없이 이중측대(비디오) 광신호에서 발생하는 CD에 의한 스펙트럼 누락을 극복하기 위해.
• 다중레벨 서브캐리어와 고급 디지털 신호처리(DSP)를 활용한 유연하고 높은 스펙트럼 효율성의 전송 방식을 개발하기 위해.
• 확장된 스펙트럼 효율성과 전송 거리 향상을 위해 확률적 캐리어 형상화(PCS)를 뉴퀴스트-SCM와 통합하여 용량-거리 최대화를 위해.

제안 방법

• 색산란에 의한 스펙트럼 누락을 방지하기 위해 광학 이중측대(DSB) 변조를 사용한 다중레벨 뉴퀴스트-SCM 방식을 제안한다.
• 피드포워드 에큐레이터(FFE)가 ≤31 탭, 이중타프 후행필터(PF), 최대우도시퀀스추정(MLSE)이 한 개의 기억 길이를 갖는 적응형 채널매칭 검출(ACMD)을 적용한다.
• 각 서브캐리어의 비트 할당을 최적화하고 스펙트럼 효율성을 극대화하기 위해 확률적 캐리어 형상화(PCS) 기반의 엔트로피 로딩을 적용한다.
• 단일 DAC를 구현하기 위해 듀얼드라이브 머친–지엔더 모듈레이터(DD-MZM)를 푸시-풀 모드(PPM)로 사용한다.
• 색산란에 의해 발생하는 깊은 누락이 있는 주파수 대역을 피하기 위해 채널 추정 기반의 서브캐리어 설계를 시행한다.
• OSNR 및 수신광출력(ROP) 변화에 따른 시스템 성능 평가를 위해 일반화된 상호정보량(NGMI)과 전처리 FEC BER을 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 50km 분산보정되지 않은 C밴드 IM/DD 링크에서 다중레벨 뉴퀴스트-SCM가 CD에 의한 스펙트럼 누락을 효과적으로 완화할 수 있는가?
• RQ2 PCS와 고급 DSP를 활용한 다중레벨 뉴퀴스트-SCM를 사용할 경우 100Gbit/s IM/DD 시스템의 구현 가능한 용량-거리 능력은 얼마인가?
• RQ3 ACMD와 PCS의 조합이 균일한 QAM에 비해 스펙트럼 효율성과 전송 거리에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 CD 및 대역폭 제약 조건 하에서도 시스템이 FEC 성능을 얼마나 잘 유지할 수 있는가?
• RQ5 복잡성과 성능의 균형을 고려할 때 최적의 서브캐리어 레이트 할당 및 DSP 구성은 무엇인가?

주요 결과

• 제안된 다중레벨 뉴퀴스트-SCM는 50km SSMF에서 수신광출력이 −4dBm일 때 7% 하드디시전 FEC 한계를 달성한다.
• −4dBm에서 평균 정규화된 일반화 상호정보량(NGMI)이 0.967에 도달하여 시스템 신뢰성과 높은 스펙트럼 효율성을 나타낸다.
• 확률적 캐리어 형상화(PCS)를 적용함으로써 −4.5dBm에서 BER이 7% HD-FEC 한계 이하로 떨어지며, 균일한 QAM보다 약 1.3dB 우수한 성능을 보인다.
• FFE는 서브캐리어당 최대 31탭으로 제한되며, 후행필터 계수 α는 각 주파수 대역에 따라 적응적으로 설정(0.2–0.5 범위)되어 복잡도가 낮음을 시사한다.
• −4dBm에서 평균 NGMI는 0.858 이상과 0.9346 이상을 초과하여 각각 20% 소프트디시전 FEC 및 7% 하드디시전 FEC 기준을 충족한다.
• ROP 제약 조건과 OSNR 제약 조건 모두에서 시스템은 뛰어난 성능 유지를 유지하여 실용적인 광링크에 적합함을 확인한다.