[논문 리뷰] Scaling Laws for Unamplified Coherent Transmission in Next-generation Short-Reach and Access Networks

Giuseppe Rizzelli, A. Nespola외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 03.

Optical Network Technologies참고 문헌 28인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 단거리 및 액세스 네트워크에서 광학적 증폭 없이 공진합된 광신호 전송을 위한 스케일링 법칙을 수립하며, PM-QPSK가 37 km 거리에서 29 dB를 초과하는 광학적 전력 예산을 가질 경우 최대 800 Gbps를 지원할 수 있음을 입증한다. 반면 PM-16QAM은 소프트 FEC와 함께 사용할 경우에만 29 dB OPB에서 190 Gbps를 달성할 수 있다. 이 연구는 분석 모델링과 실험적 검증을 결합하여 광학적 증폭 없이도 공진합 시스템의 물리계층 한계를 정의한다.

ABSTRACT

International standardization bodies (IEEE and ITU-T) working on the evolution of transmission technologies are still considering traditional direct detection solutions for the most relevant short reach optical link applications, that are Passive Optical Networks (PON) and intra-data center interconnects. Anyway, future jumps towards even higher bit rates per wavelength will require a complete paradigm shift, moving towards coherent technologies. In this paper, we thus study both analytically and experimentally the scaling laws of unamplified coherent transmission in the short-reach communications ecosystems. We believe that, given the extremely tight techno-economic constraints, such a revolutionary transition towards coherent in short-reach first requires a very detailed study of its intrinsic capabilities in largely extending the limitation currently imposed by direct detection systems. To this end, this paper focuses on the ultimate physical layer limitations of unamplified coherent systems in terms of bit rate and power budget. The main parameters of our performance estimation model are extracted through fitting with a set of experimental characterizations and later used as the starting point of a scaling laws study regarding local oscillator power, modulator-induced attenuation, bit rate, and maximum achievable power budget. The analytically predicted performance is then verified through transmission experiments, including a demonstration on a 37-km installed metropolitan dark fiber in the city of Turin.

연구 동기 및 목표

• 광학적 증폭 없이 단거리 및 액세스 네트워크에서 공진합 전송의 최종 물리계층 한계를 분석하기 위해.
• 광학적 증폭 없이 공진합 시스템에서 달성 가능한 최대 비트율과 전력 예산을 결정하기 위해.
• 강한 전력 예산 제약 조건 하에서 PON 및 내부 데이터센터 링크에서 PM-QPSK 및 PM-16QAM 포맷의 타당성을 평가하기 위해.
• 37km 메트로폴리탄 다크 파이버 링크를 통해 실험적 전송를 통해 분석 모델을 검증하기 위해.
• 비용 민감한 단거리 응용 분야에서 직접 검출 기술에서 공진합 기술으로의 전환을 위한 로드맵을 제공하기 위해.

제안 방법

• 신호 대 잡음비(SNR) 저하 항목인 SNR_Q를 도입하여, 전력에 독립적인 구현 잡음 인자를 포함하도록 분석 성능 모델을 확장한다.
• PM-QPSK 및 PM-16QAM 포맷의 실험 데이터에 기반하여 모델 파라미터를 캘리브레이션하여 감도 예측 정확도를 확보한다.
• PM-QPSK 및 PM-16QAM를 사용하여 28 GBaud에서 백토백 및 37km 파이버 전송 실험을 수행하여 모델 예측을 검증한다.
• 전기광학 모듈레이터의 최적 운영 조건은 선형 영역 내에서 피크 토크 전압을 최적화하여 실험적으로 도출된다.
• 다양한 변조 포맷에 대해 비트율, 로컬 옻신 전력, 모듈레이터 유도 감쇠, 최대 전력 예산에 대한 스케일링 법칙을 유도한다.
• 시스템 수준 분석을 통해 레이저의 스피크 라인폭 및 FEC의 영향을 평가하며, 특히 고차원 QAM에서의 성능에 중점을 둔다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일반적인 PON 전력 예산 제약 조건(29 dB) 하에서 단거리 네트워크에서 광학적 증폭 없이 공진합 전송로 달성 가능한 최대 비트율은 얼마인가?
• RQ2 PM-QPSK 성능가 PM-16QAM 성능와 비교할 때 전력 예산에 대한 내성과 필요한 전방 오류 정정(FEC) 복잡도는 어떻게 다른가?
• RQ3 광학적 증폭 없이 공진합 시스템은 내부 데이터센터 인터커넥트에서 직접 검출 기술의 범위와 용량 한계를 얼마나 확장할 수 있는가?
• RQ4 공진합 전송를 제한하는 주요 물리계층 잡음 인자는 무엇이며, 이들은 데이터 전송 속도와 변조 포맷에 따라 어떻게 스케일링되는가?
• RQ5 고성능 디지털 신호 처리 기법을 통해 저비용 DFB 레이저를 고속 단거리 공진합 시스템에서 사용할 수 있는가?

주요 결과

• PM-QPSK 공진합 전송는 37km 파이버 링크에서 29 dB를 초과하는 광학적 전력 예산(OPB) 조건 하에서 최대 800 Gbps의 라우드 비트율을 달성하며, 시스템 잡음에 대한 높은 내성을 보여준다.
• PM-16QAM의 경우, 소프트 FEC 알고리즘과 높은 레이저 출력 전력과 함께 사용할 경우에만 29 dB OPB 조건에서 190 Gbps의 비트율을 달성할 수 있다.
• 시스템은 37km 설치된 메트로폴리탄 다크 파이버 링크를 통해 우수한 성능을 유지하며, 색산성 또는 섬유 비선형성의 영향을 관찰할 수 없었다.
• 분석 모델은 실험 결과와 뛰어난 일치를 보이며, 수신기 감도 및 시스템 성능 예측에 활용 가능함을 검증한다.
• PM-QPSK는 표준 PON 전력 예산 조건에서 8 dB 이상의 시스템 마진을 확보하여 향후 업그레이드에 대한 강력한 내성과 여유를 보여준다.
• PM-64QAM는 내부 데이터센터 링크에서 800 Gbps/웨이브레인지로 구현 가능하며, 14 dB를 초과하는 완화된 OPB 요구 조건 덕분에 더 높은 스펙트럼 효율성을 달성할 수 있다.