[论文解读] Multi-Rate Nyquist-SCM for C-Band 100Gbit/s Signal over 50km Dispersion-Uncompensated Link

Haide Wang, Ji Zhou+7 more|arXiv (Cornell University)|Jul 25, 2021

Optical Network Technologies参考文献 42被引用 14

一句话总结

该论文提出了一种用于在50km非色散补偿光纤链路上传输C波段100Gbit/s强度调制直接检测（IM/DD）信号的多速率Nyquist子载波调制（SCM）方案。通过利用频率选择性子载波分配以及自适应信道匹配检测（含前向均衡器（FFE）、后置滤波器和最大似然序列估计（MLSE）），该系统有效缓解了由非色散补偿光纤引起的色度色散（CD）导致的频谱凹陷。在接收光功率为−4dBm时，系统达到7%硬决策前向纠错（HD-FEC）限制和0.967的平均归一化广义互信息（NGMI），展现出优异的CD抗性和高 spectral efficiency。

ABSTRACT

In this paper, to the best of our knowledge, we propose the first multi-rate Nyquist-subcarriers modulation (SCM) for C-band 100Gbit/s signal transmission over 50km dispersion-uncompensated link. Chromatic dispersion (CD) introduces severe spectral nulls on optical double-sideband signal, which greatly degrades the performance of intensity-modulation and direct-detection systems. Based on the prior knowledge of the dispersive channel, Nyquist-SCM with multi-rate subcarriers is proposed to keep away from the CD-caused spectral nulls flexibly. Signal on each subcarrier can be individually recovered by a digital signal processing, including the feed-forward equalizer with no more than 31 taps, a two-tap post filter, and maximum likelihood sequence estimation with one memory length. Combining with entropy loading based on probabilistic constellation shaping to maximize the capacity-reach, the C-band 100Gbit/s multi-rate Nyquist-SCM signal over 50km dispersion-uncompensated link can achieve 7% hard-decision forward error correction limit and average normalized generalized mutual information of 0.967 at received optical power of -4dBm and optical signal-to-noise ratio of 47.67dB. In conclusion, the multi-rate Nyquist-SCM shows great potentials in solving the CD-caused spectral distortions.

研究动机与目标

• 解决在非色散补偿链路中C波段IM/DD系统因色度色散（CD）引起的严重信号劣化问题。
• 在不使用光色散补偿的情况下，克服双 sideband（DSB）光信号中由CD引起的频谱凹陷。
• 开发一种灵活且高谱效率的传输方案，结合多速率子载波与先进数字信号处理（DSP）。
• 通过将概率星座整形（PCS）与Nyquist-SCM集成，实现容量-传输距离的最优化。

提出的方法

• 提出一种基于光学双边带（DSB）调制的多速率Nyquist-SCM方案，以避免CD引起的频谱凹陷。
• 采用自适应信道匹配检测（ACMD），包含最多31抽头的前向均衡器（FFE）、双抽头后置滤波器（PF）以及记忆长度为1的最大似然序列估计（MLSE）。
• 基于概率星座整形（PCS）的熵加载方法，优化每个子载波的比特分配，以最大化谱效率。
• 采用双驱动马赫-曾德尔调制器（DD-MZM）的推挽模式（PPM），实现单DAC集成。
• 基于信道估计的子载波设计，避开由CD引起的深度频谱凹陷频段。
• 利用广义互信息（NGMI）和预FEC误码率（BER）评估系统在OSNR和ROP变化下的性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 多速率Nyquist-SCM能否在50km非色散补偿的C波段IM/DD链路中有效缓解CD引起的频谱凹陷？
• RQ2 采用多速率Nyquist-SCM结合PCS与先进DSP的100Gbit/s IM/DD系统，其可实现的容量-传输距离性能如何？
• RQ3 ACMD与PCS的结合相较于均匀QAM，在提升谱效率和传输距离方面有何优势？
• RQ4 在CD和带宽受限条件下，系统在FEC性能方面能维持到何种程度？
• RQ5 在复杂度与性能之间取得平衡时，最优的子载波速率分配与DSP配置是什么？

主要发现

• 所提出的多速率Nyquist-SCM在50km标准单模光纤（SSMF）上，于接收光功率为−4dBm时，达到7%硬决策前向纠错（HD-FEC）限制。
• 在−4dBm接收功率下，系统实现0.967的平均归一化广义互信息（NGMI），表明系统具有高可靠性与高谱效率。
• 通过概率星座整形（PCS），系统在−4.5dBm时误码率低于7% HD-FEC限制，相比均匀QAM提升约1.3dB。
• FFE每子载波最多需要31抽头，后置滤波器系数α按频段自适应设置（0.2–0.5），表明系统复杂度较低。
• 在−4dBm时，平均NGMI超过0.858（满足20%软决策FEC阈值）和0.9346（满足7% HD-FEC阈值），性能达标。
• 系统在ROP受限和OSNR受限条件下均保持稳健性能，证实其适用于实际光通信链路。