Nonlinear pluggable optics: Digital signal processing-free Intensity Modulated Direct Detection links using analog photonic Next Generation Reservoir Computing

技術要約：アナログ・フォトニック次世代リザーバコンピューティングによる非線形プラグ可能光トランシーバ

問題提起
AI/MLデータセンター間相互接続における帯域幅需要の急増に伴い、デジタル信号処理（DSP）を排除することで消費電力と遅延を削減するリニア・プラグ可能光トランシーバ（LPO）の採用が進んでいます。しかし、LPOアーキテクチャは、非理想的なエンコーディング電子回路（DAC、変調器）や光チャネルの劣化（波長分散、カー効果による非線形性）から生じる非線形歪みを補正する能力を欠いています。その結果、LPOはOバンド（分散がほぼゼロの領域）および短距離通信に限定されています。一方、DSPベースのソリューションは、より長距離の伝送が可能であるものの、多大な電力を消費し（トランシーバ電力の最大50%）、リアルタイムアプリケーションにおいて許容できない遅延を導入します。さらに、標準的な強度変調/直接検波（IM/DD）リンクは光の位相情報を失うため、高シンボルレート（例：50 GBd）においてDSPによる歪み補償能力は、約1 kmを超えると制限されます。

手法
著者らは、フォトニック集積回路（PIC）上に実装されたアナログ・フォトニック次世代リザーバコンピューティング（NGRC）アーキテクチャを利用した、非線形プラグ可能光トランシーバ（NLPO）を提案しています。従来のリザーバコンピューティングとは異なり、NGRCは再帰的なフィードバックに依存せず、離散的な時間サンプルの線形および非線形変換を通じて特徴ベクトルを生成します。

提案されているPICベースのNGRCは、以下のように動作します：

1. 入力特徴ベクトルの生成： 入力される歪んだ光場は、異なる遅延を持つ$N_{in}$個のパスに分割され、時間遅延入力ベクトルを作成します。極めて重要な点として、このベクトルはローカル発振器（LO）を必要とせずに、複素光場（振幅と位相）を保持します。
2. 特徴量の混合： 入力ベクトルは、受動領域（例：エバネッセント結合導波路）においてコヒーレントに混合され、スペックルパターンを形成します。この混合により、信号は入力データの多項式結合へと分解され、リザーバ状態として機能します。
3. 重み付き検出： 学習された重みがマイクロリング変調器を用いて混合された光パワーに適用されます。重み付けされた信号はバランスフォトディテクタによって検出され、得られた光電流が減算されることで、補正されたシンボルが復元されます。
4. オーバーサンプリング： システムは、光遅延線を用いることで、シンボルレートよりも大幅に高いレート（例：50 GBdのリンクに対して250 GS/s）でデータをオーバーサンプリングします。これにより、高価な電子回路を必要とせずに、高速なサンプリングを実現します。

主な貢献

• DSPフリーの非線形補償： 電子的なエンコーディングの歪みと、光伝搬の劣化（分散およびカー非線形性）の両方を補償する、完全なアナログかつDSPフリーのアプローチを実証しました。
• LOなしでの位相情報の活用： 本研究は、フォトニックNGRCが、ローカル発振器や共伝搬キャリアなしで、コヒーレントシステム特有の機能である光位相情報にアクセスし、等化に利用できることを示しました。
• 光オーバーサンプリング： フォトニックリザーバが、デジタルDSPではプロヒビティブに高価な電子回路なしにはアクセスできない情報を抽出できる、シンボルレートを大きく上回るデータへの光オーバーサンプリング能力を持つことが、主要な利点であることを特定しました。
• PIC実装： 消費電力を最小限に抑えるための受動的な特徴量生成を強調しつつ、既存のトランシーバ技術との統合に適した、空間多重化されたPICアーキテクチャの詳細を述べています。

結果
50 GBd PAM-4リンク（100 Gb/s）に関するシミュレーションを実施し、DSPベースのFIRフィルタおよびデジタルNGRCに対する性能を評価しました。

• 10 kmにおける性能： ノイズのない10 kmリンクにおいて、フォトニックNGRCはDSPベースの手法を大幅に上回りました。デジタルFIRフィルタおよびデジタルNGRCはKP4前方誤り訂正（FEC）閾値（$2.2 \times 10^{-4}$）を満たせなかったのに対し、フォトニックNGRCはメモリ長（$M$）が6以上の場合に、この閾値を下回るビット誤り率（BER）を達成しました。
• オーバーサンプリングの影響： オーバーサンプリングレート（$R_{os}$）を高めることで、フォトニックNGRCは、LOありで$R_{os} \ge 2$、またはLOなしで$R_{os} \ge 3$において、エラーフリー伝送（$BER < 10^{-6}$）を達成できました。DSPベースのアプローチは、オーバーサンプリングレートに関わらず、FEC閾値に到達できませんでした。
• 範囲の拡張： メモリ長の最適化により、フォトニックNGRCは、典型的なLPOの限界である1 kmから、50 kmを超える有効リンク範囲を拡張しました。具体的には、$M=11$の場合、システムは51.2 kmまでKP4閾値を下回るBERを維持しました。
• 実世界の制約に対する最適化： 出力特徴ベクトルのサイズ（$N_{out}$）を32に削減することで、実用的なPIC向けに設計を最適化しました。$M \approx 4.2$および$R_{os} = 5$の最適構成により、$2 \times 10^{-5}$のBERを達成しました。
• ノイズ耐性： 増幅された自然放出光（ASE）およびショットノイズを含むシミュレーションでは、約20 dBの利得を提供するエルビウム添加ファイバ増幅器（EDFA）を用いることで、システムがPICの挿入損失を克服し、FEC閾値を下回るBERを維持できることが示されました。

意義と主張
本論文は、フォトニックNGRCが、現実世界のアプリケーションにおいて最先端のデジタルソリューションを凌駕する可能性を示していると主張しています。提案されたNLPOアーキテクチャは、低レイテンシ、低電力のIM/DDリンクを実現し、数十キロメートル（10s of km）の範囲およびCバンドにわたって動作可能であり、現在のLPOの範囲および堅牢性の制限を克服する道筋を提供します。著者らは、オーバーサンプリングがフォトニックリザーバコンピュータの主要な利点であることを示した最初の研究であることを強調しています。現在の結果はシミュレーションに基づくものであり、ノイズモデリングを含んでいますが、本研究は実験的実現のための理論的およびアーキテクチャ的基盤を確立しており、著者らは現在、それが実験的な実現に注力していることを述べています。