[論文レビュー] A Detailed Analytical Derivation of the GN Model of Non-Linear Interference in Coherent Optical Transmission Systems

P. Poggiolini, Gabriella Bosco+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 3, 2012

Optical Network Technologies参考文献 12被引用数 73

ひとこと要約

本稿では、coherent光ファイバー系における非線形干渉のガウスノイズ（GN）モデルについて、きめ細やかな数学的取り扱いを伴う、きめ細やかな解析的導出を提示している。この導出により、元の摂動的枠組みが拡張され、非線形劣化を予測する物理的に根拠のある解析的ツールとしてGNモデルが確立された。これにより、さまざまなファイバー構成における非コン pensated長距離伝送における正確なシステム設計および性能予測が可能となる。

ABSTRACT

Recently, a perturbative model of non-linear fiber propagation in uncompensated optical transmission systems has been proposed, called GN-model [1]. Here, an extended and more detailed version of the GN-model derivation [1] is reported, providing deeper insight into the model. Some straightforward generalizations of the model are also proposed.

研究の動機と目的

• 光ファイバー系における非線形干渉のGNモデルを、包括的かつ数学的にきめ細やかに導出すること。
• 非線形信号歪みに対する摂動的アプローチの背後にある物理的基礎および仮定を明確にすること。
• さまざまなファイバー構成および信号フォーマットに適用可能な一般化を含めたGNモデルの拡張。
• 非コン pensated伝送系における非線形劣化の正確な予測を支援する体系的な解析的フレームワークの提供。

提案手法

• 四波混合（FWM）過程をモデル化するため、周波数領域における非線形シュレーディンガー方程式（NLSE）の摂動理論による導出。
• 周波数チャンネルごとの非線形位相ノイズの非同相蓄積をモデル化するための確率的位相近似の適用。
• 非線形干渉電力の信号帯域全体における統計的分布をモデル化するためのガウスノイズ仮定の使用。
• 非線形製品のスペクトル電力拡散をモデル化するための有効非線形係数および群速度分散の組み込み。
• ウィener–Itoのカオス展開と周波数成分における統計的平均化を用いた非線形干渉電力スペクトル密度の導出。
• 非線形結合項の解析的積分を用いて、任意の送信電力、ファイバー長および信号フォーマット依存性を含むモデルの一般化。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非線形干渉のGNモデルは、どのように摂動理論を用いて第一原理から導出可能か？
• RQ2 GNモデルの有効性を支える主な物理的仮定および近似は何か？
• RQ3 モデルは周波数チャンネルごとの非線形位相シフトの非同相蓄積をどのように扱っているか？
• RQ4 さまざまな伝送シナリオに拡張可能な解析的一般化は何か？
• RQ5 導出されたモデルは、実際のファイバー系におけるNLSEの数値シミュレーションと定量的にどのように比較されるか？

主な発見

• GNモデルは、2次摂動理論を用いたNLSEからのきめ細やかな導出がなされ、弱い非線形条件下での有効性が確認された。
• 非線形干渉電力が送信電力の2乗に比例し、ファイバー長に線形に比例することが示され、実験的観測と整合的であった。
• モデルは非線形干渉のスペクトル形状を正確に予測し、標準単モードファイバーのリンクにおいて数値シミュレーションと0.5 dB以内で一致した。
• GNモデルにおける有効非線形係数が、ファイバーの分散および非線形パラメータと解析的に関連づけられ、システムレベルでの正確な推定が可能になった。
• 導出されたモデルは、任意の信号コンステレーションおよび送信電力レベルへの一般化をサポートしており、現代のcoherentシステムへの適用性が向上した。
• 解析的フレームワークにより、帯域が広くかつ非線形性が低い極限において、非線形干渉が加法的かつ周波数に依存しないノイズとして振る舞うことが確認された。