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NAGOYA UNIVERSITY

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Strategic Information and Communications R&D Promotion Programme (SCOPE)Research and Development of Next-generation Digital Coherent Optical Fiber Communication Technologies

CONTENTS

Overview

Program
Strategic Information and Communications R&D Promotion Programme (SCOPE), Ministry of Internal Affairs and Communications
Grant number
JP19216002
Principal investigator
Yojiro MoriTokai National Higher Education and Research System, Nagoya University
Period
FY2019–FY2022

Objectives

To meet exponentially growing demand for optical fiber communication, optical fiber communication systems urgently need greater capacity and higher performance. To further increase the capacity and performance of the digital coherent systems now in practical use, it is essential to make the fullest use of the phase, amplitude, wavelength, polarization and space of the lightwaves that carry information. This project aims to create digital signal processing algorithms for high-order multilevel modulation and space-division multiplexing, together with the technologies around them.

Work and results

We developed digital signal processing circuits suited to each kind of communication system and evaluated their performance. The figure below shows one of the proposed circuits, which compensates for all linear impairments simultaneously, together with the demodulation of 64 Gbaud 16QAM signals multiplexed over two modes and 74 wavelengths. Through simulations and experiments we demonstrated that signals are demodulated successfully even in the presence of multiple impairments.

Block diagram of the proposed digital signal processing circuit, and the demodulation of 64 Gbaud 16QAM signals multiplexed over two modes and 74 wavelengths
An example of the proposed digital signal processing circuits

Outlook

Over the past decades, optical fiber communication systems have developed enormously and become firmly established as a foundation of society. Achieving the goals of this research will increase the capacity and performance of these systems and is expected to contribute greatly to all industrial activities that relies on information and communication technology. Because the results also support the development of AI and machine learning, which themselves depend on communication technology, they are expected to benefit other fields of research that use these technologies.

Publications

Peer-reviewed papers5

  • Digital Coherent Receiver Enabling Nyquist Wavelength Demultiplexing Under Frequency Offset and Receiver-Side IQ Impairments
    T. Kuno, Y. Mori, and H. Hasegawa
    IEEE/Optica Journal of Lightwave Technology, vol. 42, no. 5, pp. 1409-1422, March 2024.
    DOI10.1109/JLT.2023.3327267
  • Demonstration of spectrum narrowing mitigation based on recurrent neural network for ultra-dense WDM networks
    R. Shiraki, Y. Mori, and H. Hasegawa
    Optica Optics Letters, vol. 49, no. 4, pp. 947-950, February 2024.
  • Demodulation framework based on machine learning for unrepeated transmission systems
    R. Shiraki, Y. Mori, and H. Hasegawa
    IEICE Transactions on Communications, vol.E107-B, no.1, January 2024.
  • RNN-based Demodulation Framework for Spectrum Narrowing in Ultra-Dense WDM Networks
    R. Shiraki, Y. Mori, and H. Hasegawa
    IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 18, pp. 993-996, September 2022.
  • Pre-filtering Techniques for Spectrum Narrowing Caused by Optical Node Traversal in Ultra-dense WDM Networks
    K. Okamura, Y. Mori, and H. Hasegawa
    IEEE Photonics Journal, vol. 13, no. 2, article #7200513, April 2021.

Peer-reviewed conference papers15

  • Wavelength Division Demultiplexing of Nyquist WDM Signals under Frequency Offset and Receiver-side IQ Impairments
    T. Kuno, Y. Mori, and H. Hasegawa
    European Conference on Optical Communication (ECOC), paper We.A.7.4, Glasgow, United Kingdom, October 2023.
  • Optical Switch Architecture for Intra-datacenter Networks
    Y. Mori and H. Hasegawa
    Optica Advanced Photonics Congress (APC), Busan, Korea, July 2023.
    Invited Paper
  • Adaptive Joint Pre-/Post-equalization of Spectrum Narrowing Caused by Cascaded Photonic Nodes
    Y. Ishikawa, R. Shiraki, Y. Mori, and H. Hasegawa
    Optica Advanced Photonics Congress (APC), Busan, Korea, July 2023.
  • Low-cost Coherent Transceivers with Quantization Noise Mitigation Function Enabled by Neural Networks
    T. Ochiai, R. Shiraki, Y. Mori, and H. Hasegawa
    Optica Advanced Photonics Congress (APC), Busan, Korea, July 2023.
  • Modulation and Demodulation Method Robust against Laser Phase Noise
    R. Higuchi, T. Kuno, R. Shiraki, Y. Mori, and H. Hasegawa
    2023 Conference on Lasers and Electro-Optics/Europe - European Quantum Electronics (CLEO®/Europe-EQEC 2023), Munich, Germany, June 2023.
  • Optical Path Management Based on Machine Learning for Optical Networks
    R. Shiraki, Y. Mori, and H. Hasegawa
    Proc. SPIE 12429, Next-Generation Optical Communication: Components, Sub-Systems, and Systems XII, 124290M, San Francisco, USA, March 2023.
    Invited Paper
  • Constellation-shaped 64QAM Robust against Phase Noise in Intra-Datacenter Networks
    J. Sakano, R. Shiraki, Y. Mori, and H. Hasegawa
    Opto-Electronics and Communications Conference / International Conference on Photonics in Switching and Computing (OECC/PSC 2022), paper WF3-4, Toyama, Japan, July 2022.
  • Optical Performance Monitoring Using Adaptive FIR Filters for Constellation-shaped Higher-Order QAM Signals
    N. Tsuchida, T. Kuno, J. Sakano, Y. Mori, and H. Hasegawa
    Opto-Electronics and Communications Conference/International Conference on Photonics in Switching and Computing (OECC/PSC 2022), paper ME1-5, Toyama, Japan, July 2022.
  • N. Tsuchida, T. Kuno, Y. Mori, and H. Hasegawa, “Measurement Method of Transmitter IQ Imbalance in Digital Coherent Communication Systems", Proc. SPIE 12027, Metro and Data Center Optical Networks and Short-Reach Links V, 1202708, Online/San Francisco, January/February 2022.
  • Joint Modulation/Demodulation Optimization without the Differentiable Channel Model in the Presence of Phase Noise
    J. Sakano, Y. Mori, and H. Hasegawa
    OSA Photonics Switching and Computing (PSC), paper Tu5A.6, Online, September 2021.
  • Measurement of Transmitter IQ Skew in High-Speed Digital Coherent Communication Systems
    N. Tsuchida, T. Kuno, Y. Mori, and H. Hasegawa
    Opto-Electronics and Communications Conference (OECC), paper T4B.7, Hong Kong, China, July 2021.
  • Evaluation of Low-complexity Digital Coherent Receivers for Short-reach Transmission Systems
    T. Kuno, Y. Mori, and H. Hasegawa
    Proc. SPIE 11712, Metro and Data Center Optical Networks and Short-Reach Links IV, 117120C, Online, March 2021.
  • Low-Complexity Digital Coherent Receivers for Short-Reach Transmission Systems
    T. Kuno, Y. Mori, and H. Hasegawa
    IEEE Photonics Conference (IPC 2020), paper WG2.2, Online, September 2020.
  • Low-Complexity DSP Configuration for Short-Reach Transmission Systems
    T. Kuno, Y. Mori, and H. Hasegawa
    Optoelectronics and Communications Conference (OECC 2020), paper VP95, Online, October 2020.
  • Joint Pre-emphasis and Partial-response Coding for Spectrum Narrowing Caused by Repeated Optical-node Traversal in Ultra-dense WDM Networks
    K. Okamura, Y. Mori, and H. Hasegawa
    European Conference on Optical Communication (ECOC 2020), paper Mo2D-8, Online, September 2020.

Presentations27

  • 久野拓真、森洋二郎、長谷川浩、“ナイキストWDM システムにおける波長多重分離法、” 電子情報通信学会フォトニックネットワーク研究会、PN2023-44、愛媛、2023年11月。
  • 落合匠郎、樋口怜治、久野拓真、白木隆太、森洋二郎、長谷川浩、“Neural Networkに基づくディジタル信号処理－大容量光ファイバ通信システムの実現に向けて－、” 電子情報通信学会超知性ネットワーキングに関する分野横断型研究会、Paper 51、札幌、2023年10月。
  • 佐竹風人、森洋二郎、白木隆太、長谷川浩、“ディジタルサブキャリア伝送方式における波長分散とレーザ位相雑音の相互作用、” 電子情報通信学会ソサイエティ大会、B-12-13、名古屋、2023年9月。
  • Neural Network を用いた量子化雑音とIQ 不均衡の同時補償技術
    落合匠郎、樋口怜治、久野拓真、白木隆太、森洋二郎、長谷川浩、
    電子情報通信学会ソサイエティ大会、B-12-11、名古屋、2023年9月。
  • 樋口怜治、森洋二郎、白木隆太、長谷川浩、“短距離コヒーレント光通信に適する変復調方式、” 電気・電子・情報関係学会東海支部連合大会、J1-2、豊橋、2023年8月。
  • 石川誉聡、白木隆太、森洋二郎、長谷川浩、“スペクトラム狭窄耐力を向上する送受信器等化同時最適化法、”電子情報通信学会フォトニックネットワーク研究会学生ワークショップ、pn2023-stws-14、沖縄、2023年3月。
  • 樋口怜治、白木隆太、森洋二郎、長谷川浩、“自己符号化器を用いた光変復調方式の同時最適化、”電子情報通信学会フォトニックネットワーク研究会学生ワークショップ、pn2023-stws-9、沖縄、2023年3月。
  • 加川功己、白木隆太、森洋二郎、長谷川浩、“適応的シンボル判定器の特性変動耐性、”電子情報通信学会フォトニックネットワーク研究会学生ワークショップ、pn2023-stws-3、沖縄、2023年3月。
  • 三ツ矢拓誠、久野拓真、森洋二郎、長谷川浩、佐藤健一、“［依頼講演］短距離通信用ディジタルコヒーレント受信器を用いたデータセンタ光スイッチネットワーク、”電子情報通信学会フォトニックネットワーク研究会、PN2022-50、沖縄、2023年3月。(依頼講演)
  • 樋口怜治、白木隆太、森洋二郎、長谷川浩、“短距離コヒーレント光通信システムに適する低損失変調方式、”電子情報通信学会総合大会、B-10-18、埼玉、2023年3月。
  • ニューラルネットワークシンボル判定器の特性変動耐性評価
    加川功己、 白木隆太、森洋二郎、長谷川浩
    電子情報通信学会総合大会, B-10-26、埼玉, 2023年3月.
  • 土田直樹、久野拓真、白木隆太、森洋二郎, 長谷川浩、“高次多値変調信号を用いたレーザ線幅の常時監視技術、”B-12-9、電子情報通信学会総合大会, 埼玉, 2023年3月.
  • 石川誉聡、白木隆太、森洋二郎、長谷川浩、“スペクトラム狭窄耐力を向上する等化器生成法、”電子情報通信学会総合大会、B-12-14、埼玉、2023年3月。
  • 土田直樹、久野拓真、白木隆太、森洋二郎、長谷川浩、“レーザ特性の常時監視技術、”電子情報通信学会フォトニックネットワーク研究会, PN2022-38、大阪, 2023年1月.
  • 落合匠郎、白木隆太、森洋二郎、長谷川浩、“量子化雑音耐力を備えるディジタルコヒーレント受信器、”電子情報通信学会フォトニックネットワーク研究会、PN2022-37、大阪、2023年1月。
  • 石川誉聡、白木隆太、森洋二郎、長谷川浩、“スペクトラム狭窄の影響を緩和する予等化フィルタの生成法 、”電子情報通信学会フォトニックネットワーク研究会、PN2022-8、北海道、2022年8月。
  • 久野拓真、森洋二郎、長谷川浩、“［依頼講演］短距離光ファイバ通信システムのための低演算量ディジタルコヒーレント受信器、”電子情報通信学会ネットワークシステム研究会、NS-2022-90、北海道、2022年10月。(依頼講演)
  • 樋口怜治、白木隆太、森洋二郎、長谷川浩、“短距離コヒーレント光通信システムに適する変復調方式 、”電子情報通信学会フォトニックネットワーク研究会、PN-2022-28、高知、2022年11月。
  • Digital Signal Processing Circuit for Coherent Receivers in Intra-Datacenter Networks
    T. Kuno, Y. Mori, and H. Hasegawa
    IEICE General Conference (English Session), paper BS-3-4, online, March 2022.
  • 坂野純、森洋二郎、長谷川浩、“位相雑音耐力を向上する変復調方式最適化、”電子情報通信学会総合大会、B-12-15、オンライン、2022年3月。
  • 久野拓真、森洋二郎、長谷川浩、“多機能かつ高性能ディジタルコヒーレント受信器、”電子情報通信学会フォトニックネットワーク研究、PN2021-60、オンライン, 2022年3月.
  • 坂野純、森洋二郎、長谷川浩、“デジタル信号処理の不完全性を考慮した光変復調方式の最適化、”電子情報通信学会フォトニックネットワーク研究会、PN2021-85、オンライン、2022年3月.
  • 土田直樹、久野拓真、森洋二郎、長谷川浩、“受信信号を用いたレーザ線幅測定を可能とする光性能監視技術、”電子情報通信学会フォトニックネットワーク研究会、PN2021-81、オンライン、2022年3月.
  • 土田直樹、坂野純、久野拓真、森洋二郎、長谷川浩、“高次多値変調方式のための送信器IQ skew 推定法”、レーザー学会学術講演会、G02-12a-VII-03、オンライン、2022年1月。
  • 土田直樹、久野拓真、森洋二郎、長谷川浩、“ディジタルコヒーレント通信システムにおける送信器IQ 不均衡推定、”電子情報通信学会フォトニックネットワーク研究会、PN2021-25、オンライン、2021年8月。
  • 土田直樹、森洋二郎、長谷川浩、“ディジタルコヒーレント通信システムにおける送信器IQskew推定、”電子情報通信学会総合大会、B-10-14、オンライン、2021年3月。
  • 土田直樹、森洋二郎、長谷川浩、“適応FIRフィルタを用いた送信器IQ skew推定法、”電子情報通信学会フォトニックネットワーク研究会学生ワークショップ、pn2021-stws-5、オンライン、2021年3月。

Patents2

  • 特願2023-049684、“信号処理回路、ディジタルコヒーレント受信器及びディジタルコヒーレント通信システム、”森洋二郎、久野拓真、長谷川浩、石川誉聡、出願日2023年3月。
  • 特許第7680006号、“信号処理回路、ディジタルコヒーレント受信器及びディジタルコヒーレント通信システム、”森 洋二郎、長谷川 浩、久野 拓真、白木 隆太、登録日2025年5月12日。

Awards6

  • Takuro Ochiai, Excellent Poster Presentation Award, IEICE RISING, October 2023.
  • Y. Ishikawa, Optica Advanced Photonics Congress Student Paper Award, July, 2023.
  • T. Ochiai, Optica Advanced Photonics Congress Student Paper Award, July, 2023.
  • Yoshiaki Ishikawa, Excellent Presentation Award, Student Workshop of the IEICE Technical Committee on Photonic Network, March 2023.
  • Reiji Higuchi, Presentation Award, Student Workshop of the IEICE Technical Committee on Photonic Network, March 2023.
  • T. Kuno, English Session Award of NS Committee, Technical Committee on Network Systems IEICE, October 2022.