[论文解读] Scaling Laws for Unamplified Coherent Transmission in Next-generation Short-Reach and Access Networks

Giuseppe Rizzelli, A. Nespola+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 3, 2021

Optical Network Technologies参考文献 28被引用 5

一句话总结

本文建立了短距离和接入网络中无光放大相干光传输的扩展规律，表明PM-QPSK在37 km距离上可支持高达800 Gbps的速率，光学功率预算（OPB）超过29 dB；而PM-16QAM仅在使用软性前向纠错（FEC）时，可在29 dB OPB下实现190 Gbps。该研究结合了理论建模与实验验证，明确了无光放大相干系统在物理层的极限性能。

ABSTRACT

International standardization bodies (IEEE and ITU-T) working on the evolution of transmission technologies are still considering traditional direct detection solutions for the most relevant short reach optical link applications, that are Passive Optical Networks (PON) and intra-data center interconnects. Anyway, future jumps towards even higher bit rates per wavelength will require a complete paradigm shift, moving towards coherent technologies. In this paper, we thus study both analytically and experimentally the scaling laws of unamplified coherent transmission in the short-reach communications ecosystems. We believe that, given the extremely tight techno-economic constraints, such a revolutionary transition towards coherent in short-reach first requires a very detailed study of its intrinsic capabilities in largely extending the limitation currently imposed by direct detection systems. To this end, this paper focuses on the ultimate physical layer limitations of unamplified coherent systems in terms of bit rate and power budget. The main parameters of our performance estimation model are extracted through fitting with a set of experimental characterizations and later used as the starting point of a scaling laws study regarding local oscillator power, modulator-induced attenuation, bit rate, and maximum achievable power budget. The analytically predicted performance is then verified through transmission experiments, including a demonstration on a 37-km installed metropolitan dark fiber in the city of Turin.

研究动机与目标

• 分析无光放大相干传输在短距离和接入网络中的物理层极限。
• 确定无光放大条件下相干系统的最大可实现比特率和功率预算。
• 评估在严格功率预算约束下，PM-QPSK和PM-16QAM格式在PON和数据中心内部互连中的可行性。
• 通过37 km城域暗光纤链路的实验传输验证理论模型。
• 为成本敏感的短距离应用中从直接检测向相干技术的过渡提供路线图。

提出的方法

• 通过信噪比退化项SNR_Q扩展了理论性能模型，以包含与功率无关的实现损伤。
• 基于PM-QPSK和PM-16QAM格式的实验数据拟合模型参数，确保灵敏度预测的准确性。
• 在28 GBaud速率下，对背靠背和37 km光纤传输进行了实验，验证模型预测结果。
• 通过优化电光调制器在直线工作区的峰峰值电压，实验确定了其最优工作条件。
• 推导了不同调制格式下比特率、本振光功率、调制器引入的衰减以及最大功率预算的扩展规律。
• 通过系统级分析评估了激光线宽和FEC等参数对性能的影响，尤其针对高阶QAM格式。

实验结果

研究问题

• RQ1 在典型PON功率预算约束（29 dB）下，无光放大相干传输在短距离网络中可实现的最高比特率是多少？
• RQ2 在光学功率预算容忍度和所需前向纠错（FEC）复杂度方面，PM-QPSK与PM-16QAM的性能相比如何？
• RQ3 无光放大相干系统在多大程度上可扩展数据中心内部互连中直接检测技术的传输距离和容量极限？
• RQ4 限制无光放大相干传输的关键物理层损伤是什么？它们如何随数据速率和调制格式变化？
• RQ5 先进的数字信号处理技术是否可使低成本DFB激光器在高速短距离相干系统中得以应用？

主要发现

• PM-QPSK相干传输在37 km光纤链路上实现了高达800 Gbps的原始比特率，光学功率预算（OPB）超过29 dB，表现出对系统损伤的强容忍能力。
• 对于PM-16QAM，仅在结合软性FEC算法和高输出激光功率时，才可在29 dB OPB下实现190 Gbps的比特率。
• 系统在37 km已安装的城域暗光纤链路上保持优异性能，色度色散和光纤非线性效应均未产生可观察到的影响。
• 理论模型与实验结果高度一致，验证了其在预测接收机灵敏度和系统性能方面的有效性。
• PM-QPSK在标准PON功率预算下实现了超过8 dB的系统余量，表明其具备强大的鲁棒性和未来升级的余地。
• 由于对OPB的要求放宽至14 dB以上，PM-64QAM在数据中心内部链路中每波长支持800 Gbps是可行的，从而实现更高的频谱效率。