One Terahertz Full-Field Digital Back-Propagation over 3000 km

Resumen Técnico: Propagación Digital de Campo Completo de un Terahercio sobre 3000 km

Planteamiento del Problema
La propagación digital de campo completo (DBP, por sus siglas en inglés) busca detectar y compensar conjuntamente todas las señales interferentes dentro de un enlace de transmisión, centrándose específicamente en las no linealidades de fibra entre canales, como la modulación de fase cruzada (XPM) y la mezcla de cuatro ondas (FWM). Mientras que la DBP por canal compensa los efectos intra-canal, no logra abordar la diafonía no lineal entre canales. Sin embargo, la implementación de una DBP de campo completo sobre anchos de banda ultra amplios (por ejemplo, 1 THz) presenta desafíos significativos. Estos incluyen la necesidad de señales de costura de frecuencia (frequency-stitching) de múltiples receptores coherentes sincrónicos, el requerimiento de un oscilador local de peine de frecuencias para asegurar un espaciamiento constante, y la inclusión de la dispersión de tercer orden ($\beta_3$) en los modelos de propagación, dado que la pendiente de dispersión a través de 1 THz es equivalente a más de 100 km de dispersión tras 3000 km de fibra. Además, las ganancias potenciales de este enfoque están teóricamente limitadas por el ruido y la dispersión de modo de polarización (PMD), lo que requiere la validación experimental de su viabilidad para la transmisión de larga distancia.

Metodología
Los autores implementaron un experimento de DBP de campo completo de 1 THz sobre un enlace de línea recta de 3000 km utilizando fibra de núcleo de sílice pura G.654. La configuración experimental involucró los siguientes componentes clave:

• Transmisor: Se generó una señal WDM de 20 canales utilizando 20 láseres de cavidad externa (ECL) de funcionamiento libre con anchuras de línea inferiores a 100 kHz. Los canales fueron modulados mediante 64-QAM a 47.5 GBd con una forma de coseno elevado raíz (RRC) de roll-off de 0.01. Los canales tenían un espaciamiento de 50 GHz. Dos grupos de subbandas (impares y pares) fueron modulados independientemente mediante moduladores de intensidad de polarización dual (DPIQMs) y recombinados.
• Enlace de Transmisión: La señal atravesó 30 tramos de 100 km de fibra, con EDFAs de aplanamiento de ganancia compensando la pérdida de tramo e igualando el perfil de potencia espectral.
• Receptor: La señal recibida fue amplificada a 27 dBm y dividida en 20 ramas. Cada rama pasó a través de un filtro de paso de banda estrecho y fue alimentada a un receptor coherente de polarización dual equipado con fotodiodos de 70 GHz. Un peine de frecuencias ópticas con espaciamiento de 25 GHz, enrutado a través de un entrelazador y un AWG con espaciamiento de 50 GHz, sirvió como el oscilador local (LO) para cada receptor, asegurando un espaciamiento de frecuencia constante.
• Procesamiento Digital de Señales (DSP):
  • Costura de Frecuencia (Frequency Stitching): Las 20 subbandas recibidas fueron alineadas en el tiempo utilizando el solapamiento entre bandas adyacentes (estimando el retardo relativo a partir de la potencia total recibida) y alineadas en frecuencia (estimando el espaciamiento entre subbandas a partir de la región de solapamiento). Esto logró una alineación de tiempo de sub-picosegundo y una alineación de frecuencia de sub-kHz. Las subbandas fueron luego unidas mediante un pesaje de coseno elevado para reconstruir el campo completo de 1 THz.
  • Algoritmo DBP: La ecuación de Manakov inversa se resolvió numéricamente utilizando el método de paso de Fourier escalonado (SSFM) con control adaptativo de error local. El modelo de propagación incluyó tanto la dispersión de segundo orden ($\beta_2$) como la de tercer orden ($\beta_3$). La DBP de campo completo operó a una tasa de muestreo de 4 THz, mientras que la DBP por canal utilizó 200 GHz.
  • Recuperación: La señal retro-propagada fue re-sincronizada, se eliminó el desfase de la frecuencia de portadora y se ecualizó utilizando ecualizadores LMS asistidos por datos y dirigidos por decisión con recuperación de portadora. El rendimiento se evaluó utilizando Información Mutua Generalizada (GMI).

Contribuciones Clave

1. Demostración Experimental: El artículo presenta la primera demostración de DBP de campo completo sobre un ancho de banda de 1 THz a través de un enlace de fibra de 3000 km.
2. Arquitectura del Sistema: El trabajo utiliza una arquitectura novedosa que combina 20 receptores coherentes sincrónicos, un oscilador local de peine de frecuencias y una costura digital precisa para capturar el espectro de banda ancha.
3. Precisión del Modelado: El estudio incorpora la dispersión de tercer orden ($\beta_3$) en el modelo de DBP, reconociendo su importancia en anchos de banda de 1 THz, y realiza una estimación de parámetros por canal para la dispersión y un barrido para el coeficiente no lineal.
4. Técnicas de Alineación: Los autores detallan las técnicas de alineación de tiempo de sub-picosegundo y de frecuencia de sub-kHz necesarias para lograr ganancias medibles mediante el procesamiento de campo completo.

Resultados
El experimento comparó tres métodos de procesamiento: Compensación de Dispersión Electrónica (EDC), DBP por canal y DBP de campo completo con costura.

• Ganancias de Rendimiento (Throughput): Con una potencia de lanzamiento óptima de 16 dBm, la DBP de campo completo con costura logró un rendimiento total de 7647.6 Gbps. Esto representa una ganancia de 393 Gbps (5.4%) sobre EDC (7254.4 Gbps) y más del doble de la ganancia de la DBP por canal (160 Gbps o 2.2%).
• Mejoras de SNR: La Relación Señal-Ruido (SNR) promedio para la DBP de campo completo con costura alcanzó un pico de 13.01 dB, ofreciendo una ganancia de 0.65 dB sobre EDC y una ganancia de 0.26 dB sobre la DBP por canal.
• Rendimiento por Canal: La DBP con costura mejoró consistentemente la SNR en todos los 20 canales, observándose las ganancias más significativas en los canales 1, 4, 6 y 8–10. La ganancia de SNR por canal sobre EDC osciló entre 0.3 y 1.3 dB.
• Complejidad Computacional: La DBP de campo completo requirió aproximadamente 5.8 veces más pasos de SSFM que todas las instancias de DBP por canal combinadas, además del incremento de 20 veces en el ancho de banda.

Significancia y Reclamaciones
El artículo afirma que la DBP de campo completo es un método viable para compensar las no linealidades entre canales en sistemas de transmisión óptica de banda ultra ancha. Los resultados demuestran que el procesamiento conjunto de un espectro de 1 THz produce ganancias de rendimiento significativamente mayores que las que se logran tratando los canales de forma independiente. Los autores señalan que, si bien el enfoque es efectivo, las ganancias están fundamentalmente limitadas por fenómenos como el ruido y la dispersión de modo de polarización (PMD), que decorrelacionan el campo a lo largo de distancias largas a menos que se modelen explícitamente. El trabajo sugiere que una mayor optimización, como el ajuste por tramo (per-slice) de la potencia de lanzamiento efectiva en el modelo de DBP para tener en cuenta la potencia óptica no uniforme a través de las subbandas, podría potencialmente mejorar estas ganancias. El estudio concluye que la alineación de sub-picosegundos y el control preciso de la frecuencia son prerrequisitos para realizar el potencial de la DBP de campo completo en la transmisión de larga distancia.