[论文解读] Enabling high spectral efficiency coherent superchannel transmission with soliton microcombs

Mikael Mazur, Myoung‐Gyun Suh+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2018

Advanced Fiber Laser Technologies被引用 5

一句话总结

该论文展示了一款芯片级孤子微梳，通过提供稳定、窄线间距（22.1 GHz）的光频梳，实现了高光谱效率的相干超通道传输。该系统在82公里距离内实现12 Tb/s传输，光谱效率超过10 bit/s/Hz，在2000公里距离上超过6 bit/s/Hz，优于以往基于微梳的系统，并达到体光学系统的基准水平。

ABSTRACT

Optical communication systems have come through five orders of magnitude improvement in data rate over the last three decades. The increased demand in data traffic and the limited optoelectronic component bandwidths have led to state-of-the-art systems employing hundreds of separate lasers in each transmitter. Given the limited optical amplifier bandwidths, focus is now shifting to maximize the spectral efficiency, SE. However, the frequency jitter from neighbouring lasers results in uncertainties of the exact channel wavelength, requiring large guardbands to avoid catastrophic channel overlap. Optical frequency combs with optimal line spacings (typically around 10-50 GHz) can overcome these limitations and maximize the SE. Recent developments in microresonator-based soliton frequency combs (hereafter microcombs) promise a compact, power efficient multi-wavelength and phase-locked light source for optical communications. Here we demonstrate a microcomb-based communication link achieving state-of-the-art spectral efficiency that has previously only been possible with bulk-optics systems. Compared to previous microcomb works in optical communications, our microcomb features a narrow line spacing of 22.1 GHz. In addition, it provides a four order-of-magnitude more stable line spacing compared to free-running lasers. The optical signal-to-noise ratio (OSNR) is sufficient for information encoding using state-of-the-art high-order modulation formats. This enables us to demonstrate transmission of a 12 Tb/s superchannel over distances ranging from a single 82 km span with an SE exceeding 10 bits/s/Hz, to 2000 km with an SE higher than 6 bits/s/Hz. These results demonstrate that microcombs can attain the SE that will spearhead future optical networks.

研究动机与目标

• 应对传统WDM和光电组件带宽受限背景下，对更高光谱效率光通信系统日益增长的需求。
• 通过用相位锁定、窄线间距的光频梳替代独立激光器，解决多激光器发射机的频率抖动问题。
• 利用孤子微梳的稳定性和相干性，实现高阶调制格式（如64QAM、256QAM）的高光谱效率传输，且开销低。
• 证明微梳可实现以往仅在体光学系统中才能达到的光谱效率，推动未来紧凑、低功耗发射机的发展。
• 通过实时DSP和可现场部署的组件（包括循环光路和相干接收机），在长距离（最高2000公里）条件下验证系统性能。

提出的方法

• 采用高Q值石英微谐振腔生成重复频率为22.1 GHz的孤子频梳，提供52条频梳线用于超通道构建。
• 使用经EDFA放大的连续光激光泵浦微谐振腔，生成孤子态，产生稳定、相位锁定的频梳，线宽稳定性优于100 Hz。
• 利用光纤布拉格光栅抑制泵浦激光线，并展平频梳谱，确保各信道功率均匀，实现一致的调制。
• 通过测试加载带方法模拟每信道独立调制器，使用5个测试信道，实现在每条频梳线上进行高阶QAM调制（16、64、256QAM）。
• 通过复用器合并调制后的信道，并将超通道信号注入单跨段82公里单模光纤或EDFA增益补偿的2000公里循环光路。
• 采用带宽23 GHz的模拟接收机进行相干检测，并通过离线数字信号处理（DSP）实现导频辅助均衡与盲相位恢复，以支持长距离传输。

实验结果

研究问题

• RQ1 芯片级孤子微梳能否在大容量光传输中实现与体光学超通道系统相当的光谱效率？
• RQ2 与自由振荡激光器相比，微梳线间距的稳定性（22.1 GHz）在多大程度上降低了信道间串扰和保护间隔要求？
• RQ3 在长距离光纤链路中，使用高阶调制格式（如64QAM、256QAM）的微梳基超通道，可实现的光谱效率和净数据速率是多少？
• RQ4 在真实环境条件下（包括琼脂偏振随机旋转和噪声），系统在广义互信息（GMI）和误码率（BER）方面的表现如何？
• RQ5 微梳基发射机能否实现可扩展、低功耗、高吞吐量的光通信网络，且在2000公里距离上光谱效率超过6 bit/s/Hz？

主要发现

• 孤子微梳实现了比自由振荡激光器高四个数量级的线间距稳定性，3小时内重复频率稳定性低于100 Hz。
• 在82公里单跨段光纤中，采用PM-64QAM调制，系统实现了10.2 bit/s/Hz的光谱效率，广义互信息（GMI）为10.2 bit/s/Hz，预前向纠错（pre-FEC）误码率为4×10⁻²。
• 在2000公里循环光路中，采用PM-16QAM调制，系统实现了6.1 bit/s/Hz的光谱效率，GMI为6.1 bit/s/Hz，预FEC BER为4×10⁻²。
• 光信噪比（OSNR）足够支持高阶调制格式，使先进DSP技术无需数据辅助收敛即可实现。
• 综合考虑保护带（2.8%）和DSP导频开销后，基于GMI计算出的可实现信息速率（AIR）提供了净光谱效率的合理估计。
• 结果证实，基于微梳的超通道可达到体光学系统的性能水平，为未来全光路由、多太比特吞吐量且低功耗的光网络铺平道路。