[论文解读] Intra-Channel Nonlinearity Compensation Based on Second-Order Perturbation Theory

O. S. Sunish Kumar, Abdelkerim Amari+2 more|arXiv (Cornell University)|May 3, 2020

Optical Network Technologies参考文献 26被引用 4

一句话总结

本文提出了一种基于二阶微扰理论的非线性补偿（SO-PB-NLC）技术，以提升相干光通信系统中的信道内非线性损伤抑制性能。通过将一阶微扰理论扩展至二阶项，该方法以更高精度解析建模非线性失真，实现单级、每符号单样本的处理架构，显著提升传输距离与性能，相较于一阶方法，在2800 km处实现32.2%的传输距离增益（相比EDC）和14%的增益（相比FO-PB-NLC）。

ABSTRACT

The first-order (FO) perturbation theory has been widely investigated to design the digital nonlinearity compensation (NLC) technique to deal with the intra-channel fiber nonlinearity effect in coherent optical communication systems. The main advantages of the perturbation theory-based approach are the possibility of the implementation on a single stage for the entire fiber link and one sample per symbol operation. In this paper, we propose to extend the FO perturbation theory-based NLC (FO-PB-NLC) technique to the second-order (SO), referred to as the SO-PB-NLC, to enhance the NLC performance. We present a comprehensive theoretical analysis for the derivation of the SO nonlinear distortion field, which is the foundation for the SO-PB-NLC technique. Through numerical simulations, we show that the proposed SO-PB-NLC technique significantly enhances the NLC performance and the maximum transmission reach when compared to the FO-PB-NLC technique. Then, the performance of the SO-PB-NLC technique is compared with that of the benchmark digital back-propagation (DBP).

研究动机与目标

• 解决在高发射功率和高阶调制格式下，基于一阶微扰理论的非线性补偿（FO-PB-NLC）性能下降的问题。
• 克服FO-PB-NLC的局限性，该方法因截断高阶项而在非线性增强时变得不准确。
• 开发一种基于二阶微扰理论的非线性补偿（SO-PB-NLC）技术，以更精确地捕捉非线性失真动力学特性。
• 实现单级、每符号单样本的处理架构，便于实际硬件部署，同时提升非线性阈值与传输距离。
• 提供一种计算效率更高的数字反向传播（DBP）替代方案，复杂度更低，但性能优于FO-PB-NLC。

提出的方法

• 基于非线性薛定谔方程（NLSE）应用二阶微扰理论，推导出二阶非线性失真场，假设输入脉冲为高斯包络形状。
• 将非线性失真建模为两项之和：SO-Term1与SO-Term2，每一项均包含由光纤参数和信号特性导出的复系数。
• 基于40 dB参考电平设定截断阈值，仅保留显著系数，以降低计算负载。
• 设计一种量化方法，忽略索引项相近时非线性系数的±0.5差异，大幅减少唯一系数的数量。
• 在发射端设计预失真器，利用推导出的二阶系数对光纤引起的非线性损伤进行预补偿。
• 采用单级、每符号单样本的处理框架，在保持低硬件复杂度的同时，补偿染色色散与克尔非线性。

实验结果

研究问题

• RQ1 将一阶微扰理论扩展至二阶项，是否能显著提升高速光通信系统中非线性补偿的性能？
• RQ2 在误码率（BER）和最大传输距离方面，SO-PB-NLC技术相较于FO-PB-NLC和数字反向传播（DBP）表现如何？
• RQ3 与电子色散补偿（EDC）和FO-PB-NLC相比，SO-PB-NLC技术在非线性阈值方面提升了多少？
• RQ4 系数截断与量化对SO-PB-NLC方法的计算复杂度与性能有何影响？
• RQ5 SO-PB-NLC的单级、每符号单样本实现能否在保持低复杂度的同时，实现接近DBP的性能？

主要发现

• SO-PB-NLC技术在7%开销硬决策前向纠错（FEC）限制下实现最大3280 km的传输距离，相比EDC（2480 km）提升32.2%，相比FO-PB-NLC（2880 km）提升14%。
• 在2800 km处，SO-PB-NLC技术相比EDC提升5.3 dB的非线性阈值，相比FO-PB-NLC提升1.7 dB，表明对发射功率的容忍度更高。
• 在所有发射功率水平下，SO-PB-NLC的误码率（BER）性能显著优于FO-PB-NLC和EDC，且在高功率下性能差距进一步扩大。
• 尽管DBP是数值上精确的方法，但SO-PB-NLC在相同传输距离下表现出更高的非线性阈值，这是由于PB-NLC采用单跨度近似所致。
• 所提出的量化与截断策略通过忽略相近索引项间±0.5的系数差异，显著降低了所需非线性系数的数量，大幅降低实现复杂度。
• 二阶微扰方法使单级、每符号单样本处理方案成为可能，在保持低硬件复杂度的同时，性能显著优于FO-PB-NLC。