On the Optimum Energy-per-bit Launch Power in Coherent Hollow-core Fibre Transmission Systems

Resumen Técnico: Sobre la Potencia de Lanzamiento Óptima por bit en Sistemas de Transmisión de Fibra de Núcleo Hueco Coherente

Planteamiento del Problema
Las fibras de núcleo hueco (HCF, por sus siglas en inglés) han surgido como una alternativa prometedora a las fibras convencionales de un solo modo de sílice (SMF) debido a su potencial para una latencia reducida, una no linealidad significativamente menor y una atenuación inferior a 0.1 dB/km. Estas características permiten longitudes de tramo más largas (superiores a 200 km) y potencias de lanzamiento más altas (potencialmente superiores a 40 dBm), lo que podría reducir el número de amplificadores requeridos y mejorar la eficiencia energética. Sin embargo, mientras que la transmisión de banda ultraancha (UWB) es un objetivo clave para escalar el rendimiento, la eficiencia de conversión de potencia (PCE) de los amplificadores para longitudes de onda fuera de la banda C (bandas O, E, S) es actualmente inferior a la de los amplificadores de fibra dopada con erbio (EDFA) de la banda C.

Un supuesto crítico en los sistemas convencionales de SMF es que, para enlaces de pocos tramos, el consumo de potencia de los amplificadores ópticos es insignificante en comparación con el de los transceptores coherentes. Este artículo investiga si este supuesto se mantiene para los sistemas HCF. Dado que las HCF admiten potencias de lanzamiento mucho más altas que las SMF, los autores postulan que el consumo de potencia del amplificador puede volverse comparable, o incluso superior, al consumo de potencia del transceptor a potas de lanzamiento elevadas. Esta discrepancia sugiere que la potencia de lanzamiento requerida para alcanzar el rendimiento máximo ($T_{max}^{tot}$) puede diferir significativamente de la potencia de lanzamiento requerida para alcanzar el mínimo de energía por bit ($E_b^{min}$), una distinción que es menos pronunciada en los sistemas SMF.

Metodología
Los autores desarrollaron un modelo de Ruido Gaussiano (GN) de forma cerrada para estimar la Relación Señal-Ruido (SNR) por canal y la energía total por bit ($E_b$) para sistemas de transmisión HCF. El modelo se extendió para soportar sistemas UWB incorporando perfiles de atenuación y dispersión dependientes de la longitud de onda de las HCF, basados en diseños simulados de Fibra Anti-resonante Sin Nodos de Doble Capa (DNANF) de la primera ventana.

Los parámetros y supuestos clave del modelo incluyen:

• Perfil de la Fibra: Perfiles simulados con ~0.075 dB/km de atenuación a 1550 nm y ~0.12 dB/km a 1310 nm, con baja dispersión en las bandas OESCL.
• Configuración del Sistema: Las simulaciones cubrieron enlaces de 1000 km (compuestos por 5 tramos de 200 km) a través de configuraciones de banda C y UWB (O, E, S, C, L).
• Ruido e Impedimentos: El cálculo de la SNR incluyó la emisión espontánea amplificada (ASE) acumulada, la interferencia no lineal (NLI), la interferencia intermodal (IMI) y el ruido del transceptor. Se omitió la dispersión de Raman estimulada entre canales (ISRS).
• Consumo de Potencia: La potencia total del enlace se calculó como la suma de la potencia del amplificador ($P_{amp}^e$) y la del transceptor ($P_{trx}^e$). La potencia del amplificador se derivó del número de tramos, las potencias de entrada/salida y los valores de PCE específicos de la longitud de onda (que oscilan entre el 0.7% para la banda O y el 6.0% para la banda C). La potencia del transceptor se modeló como una constante de 24 W por módulo.
• Rendimiento (Throughput): Calculado utilizando la capacidad de Shannon basada en la SNR y una tasa de baudios fija de 140 GBd.

Contribuciones Clave y Resultados
El estudio demuestra que, a diferencia de los sistemas SMF, donde la potencia del transceptor domina y la potencia de lanzamiento óptima para la eficiencia energética se alinea estrechamente con el rendimiento máximo, los sistemas HCF exhiben dos puntos de operación distintos debido a la interacción entre la alta potencia de lanzamiento y la eficiencia del amplificador.

1. Divergencia de los Puntos de Operación: En HCF, a medida que la potencia de lanzamiento aumenta hacia el punto de rendimiento máximo, el consumo de potencia del amplificador crece rápidamente y se vuelve comparable al del transceptor. Debido a que el rendimiento de la HCF está limitado por la SNR del transceptor en lugar de la no linealidad de Kerr (que limita a la SMF), aumentar la potencia de lanzamiento más allá de cierto punto produce ganancias de rendimiento insignificantes mientras aumenta significativamente el consumo de potencia. En consecuencia, la potencia de lanzamiento para el mínimo de energía por bit ($E_b^{min}$) es significativamente menor que la de la máxima capacidad ($T_{max}^{tot}$).
2. Ganancias Cuantitativas:
   • Banda C (1000 km): Operar en $E_b^{min}$ (aprox. 22 dBm de potencia de lanzamiento total) en lugar de $T_{max}^{tot}$ (aprox. 37 dBm de potencia de lanzamiento total) resulta en una reducción del 41.5% en el consumo total de potencia con solo una penalización del 2.2% en el rendimiento.
   • Sistemas de Banda U (OESCL): El compromiso es aún más favorable en sistemas multibanda. Operar en $E_b^{min}$ genera una reducción del 71.9% en el consumo total de potencia para una penalización del rendimiento del 8.5%.
3. Comportamiento de Escalamiento: El análisis muestra que para HCF, el $E_b^{min}$ ocurre consistentemente alrededor de 7 dBm por canal (22 dBm total para banda C), mientras que el $T_{max}^{tot}$ ocurre alrededor de 22 dBm por canal (37 dBm total).

Significancia
El artículo concluye que el supuesto de un consumo de potencia de amplificador insignificante en sistemas de pocos tramos es inválido para las HCF cuando operan a altas potencias de lanzamiento. Al identificar y operar en la potencia de lanzamiento específica que minimiza la energía por bit, los sistemas de transmisión HCF pueden lograr ahorros energéticos sustanciales (hasta ~72%) con un impacto mínimo en el rendimiento de datos. Este hallazgo sugiere que, para un despliegue eficiente de la energía en HCF, particularmente en escenarios UWB, el diseño del sistema debe priorizar el punto de operación $E_b^{min}$ sobre el punto $T_{max}^{tot}$. Este enfoque no solo reduce el consumo total de potencia, sino que también alivia la necesidad de amplificadores de alta potencia en escenarios donde el rendimiento está limitado por la SNR del transceptor en lugar de la no linealidad de la fibra.