[论文解读] Correlated Eigenvalues Optical Communications

Wenqi Zhang, Tao Gui+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 25, 2017

Optical Network Technologies参考文献 24被引用 3

一句话总结

本文提出了一种非线性傅里叶变换（NFT）光通信中的噪声建模框架，证明了光纤传输引起的本征值扰动在不同波段之间存在相关性，且可被建模为独立的、逐段累积的噪声贡献。通过利用这种相关性，作者表明可通过优化信号星座图设计来最大化系统吞吐量，并在150 km光纤链路中，使用2孤子脉冲和非线性谱处理技术，通过实验验证了该方法。

ABSTRACT

There is a fundamental limit on the capacity of fibre optical communication system (Shannon Limit). This limit can be potentially overcome via using Nonlinear Frequency Division Multiplexing. Dealing with noises in these systems is one of the most critical parts in implementing a practical system. In this paper, we discover and characterize the correlations among the NFT channels. It is demonstrated that the correlation is universal (i.e., independent of types of system noises) and can be exploited to maximize transmission throughput. We propose and experimentally confirm a noise model showing that end-to-end noise can be modeled as the accumulation of noise associated with each segment of optical communication which can be dealt with independently. Also, each point noise can be further decomposed into different components, some of which are more significant (and even dominating) than others. Hence, one can further approximate and simplify the noise model by focusing on the significant component.

研究动机与目标

• 解决光纤非线性导致的传输容量受限于线性香农极限的根本挑战。
• 通过利用非线性傅里叶变换（NFT）克服传统线性信号处理在非线性光纤中的局限性。
• 对基于NFT的光通信系统中的本征值噪声相关性进行建模与利用，以提升系统性能。
• 开发一种分析框架，将端到端噪声分解为逐段的、近似独立的扰动，以实现可处理的建模。
• 通过表征和缓解本征值上的噪声效应，实现非线性频 division multiplexing（NFDM）的实际应用。

提出的方法

• 使用达布变换方法递归生成具有受控谱振幅和物理带宽的2孤子脉冲，作为发射端信号。
• 采用带有分布式拉曼放大和可忽略线性损耗的非线性薛定谔方程（NLSE）模型来模拟光纤传输过程。
• 应用Ablowitz-Ladik算法计算非线性傅里叶系数，并使用牛顿-拉夫森法在谱域中进行根搜索。
• 将本征值噪声建模为每个光纤段贡献的小扰动的累积，假设各段之间相关性较弱。
• 使用训练符号进行定时同步，利用导频音估计并补偿接收端激光相位噪声和频率偏移。
• 应用离线数字信号处理（DSP）技术，通过90°混合器和平衡光电探测器，从采样的I/Q信号中重构并分析本征值扰动。

实验结果

研究问题

• RQ1 在基于NFT的光通信系统中，本征值扰动在多个光纤段上的行为如何？
• RQ2 本征值噪声在多大程度上存在相关性？这种相关性是否可用于提升系统吞吐量？
• RQ3 端到端本征值噪声能否被建模为独立的、逐段噪声贡献的累积？
• RQ4 与传统加性白高斯噪声（AWGN）假设相比，所提出的噪声模型在非线性谱域通信中表现如何？
• RQ5 该噪声模型能否扩展为统一框架，以包含发射端和接收端的噪声源？

主要发现

• 在基于NFT的光通信系统中，本征值扰动在不同波段之间存在相关性，且在不同类型系统噪声下具有普适性。
• 本征值的端到端噪声可有效建模为每个光纤段贡献的独立、逐段噪声的累积。
• 各段噪声分量之间的相关性足够弱，可假设其统计独立，从而简化噪声模型。
• 所提出的噪声模型使非线性谱域中的优化信号星座图设计成为可能，从而实现更高的系统吞吐量。
• 在150 km光纤环路中使用2孤子脉冲的实验结果验证了噪声模型的有效性，并证明了本征值相关性的可利用性。
• 该框架可扩展以包含发射端和接收端噪声，且谱振幅扰动也可建模为累积的独立噪声效应。