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

Résumé technique : Sur la puissance de lancement optimale par bit dans les systèmes de transmission cohérente par fibre à cœur creux

Énoncé du problème
Les fibres à cœur creux (HCF - Hollow-core fibres) sont apparues comme une alternative prometteuse aux fibres monomodes classiques en silice (SMF) en raison de leur potentiel de réduction de la latence, d'une non-linéarité nettement plus faible et d'une atténuation inférieure à 0,1 dB/km. Ces caractéristiques permettent des longueurs de liaison plus importantes (dépassant 200 km) et des puissances de lancement plus élevées (pouvant dépasser 40 dBm), ce qui pourrait réduire le nombre d'amplificateurs requis et améliorer l'efficacité énergétique. Cependant, bien que la transmission en bande ultra-large (UWB) soit un objectif clé pour l'augmentation du débit, l'efficacité de conversion de puissance (PCE) des amplificateurs pour les longueurs d'onde hors bande C (bandes O, E, S) est actuellement plus faible que celle des amplificateurs à fibre dopée à l'erbium (EDFA) de la bande C.

Une hypothèse critique dans les systèmes SMF conventionnels est que, pour les liaisons à peu de segments, la consommation de puissance des amplificateurs optiques est négligeable par rapport à celle des émetteurs-récepteurs cohérents. Cet article examine si cette hypothèse est toujours valable pour les systèmes HCF. Étant donné que les HCF supportent des puissances de lancement bien plus élevées que les SMF, les auteurs postulent que la consommation de puissance des amplificateurs peut devenir comparable, voire supérieure, à la consommation de puissance des émetteurs-récepteurs à des puissances de lancement élevées. Cette divergence suggère que la puissance de lancement requise pour atteindre le débit maximal ($T_{max}^{tot}$) peut différer considérablement de la puissance de lancement requise pour atteindre l'énergie par bit minimale ($E_b^{min}$), une distinction moins prononcée dans les systèmes SMF.

Méthodologie
Les auteurs ont développé un modèle de bruit gaussien (GN) en forme fermée pour estimer le rapport signal sur bruit (SNR) par canal et l'énergie totale par bit ($E_b$) pour les systèmes de transmission HCF. Le modèle a été étendu pour supporter les systèmes UWB en incorporant des profils d'atténuation et de dispersion dépendants de la longueur d'onde pour les HCF, basés sur des conceptions simulées de fibres DNANF (Double-Clad Anti-Resonant Nodeless Fibre) à première fenêtre.

Les paramètres et hypothèses clés de la modélisation incluent :

• Profil de fibre : Profils simulés avec une atténuation d'environ 0,075 dB/km à 1550 nm et d'environ 0,12 dB/km à 1310 nm, avec une faible dispersion à travers les bandes OESCL.
• Configuration du système : Les simulations couvrent des liaisons de 1000 km (composées de 5 segments de 200 km) pour des configurations en bande C et UWB (O, E, S, C, L).
• Bruit et imperfections : Le calcul du SNR inclut l'émission spontanée amplifiée (ASE) accumulée, l'interférence non linéaire (NLI), l'interférence inter-modale (IMI) et le bruit de l'émetteur-récepteur. La diffusion Raman stimulée inter-canaux (ISRS) a été négligée.
• Consommation de puissance : La puissance totale de la liaison est calculée comme la somme de la puissance de l'amplificateur ($P_{amp}^e$) et de la puissance de l'émetteur-récepteur ($P_{trx}^e$). La puissance de l'amplificateur est dérivée du nombre de segments, des puissances d'entrée/sortie et des valeurs de PCE spécifiques à la longueur d'onde (allant de 0,7 % pour la bande O à 6,0 % pour la bande C). La puissance de l'émetteur-récepteur est modélisée comme une constante de 24 W par module.
• Débit : Calculé à l'aide de la capacité de Shannon basée sur le SNR et un taux de bauds fixe de 140 GBd.

Contributions clés et résultats
L'étude démontre qu'contrairement aux systèmes SMF, où la puissance de l'émetteur-récepteur domine et où la puissance de lancement optimale pour l'efficacité énergétique s'aligne étroitement sur le débit maximal, les systèmes HCF présentent deux points de fonctionnement distincts dus à l'interaction entre les hautes puissances de lancement et l'efficacité de l'amplificateur.

1. Divergence des points de fonctionnement : Dans les HCF, à mesure que la puissance de lancement augmente vers le point de débit maximal, la consommation de puissance de l'amplificateur croît rapidement et devient comparable à celle de l'émetteur-récepteur. Comme le débit des HCF est limité par le SNR de l'émetteur-récepteur plutôt que par la non-linéarité de Kerr (qui limite les SMF), augmenter la puissance de lancement au-delà d'un certain point ne produit que des gains de débit négligeables tout en augmentant considérablement la consommation de puissance. Par conséquent, la puissance de lancement pour l'énergie par bit minimale ($E_b^{min}$) est nettement inférieure à celle pour le débit maximal ($T_{max}^{tot}$).
2. Gains quantitatifs :
   • Bande C (1000 km) : Opérer à $E_b^{min}$ (environ 22 dBm de puissance de lancement totale) au lieu de $T_{max}^{tot}$ (environ 37 dBm de puissance de lancement totale) entraîne une réduction de 41,5 % de la consommation de puissance totale avec seulement une pénalité de 2,2 % du débit.
   • Systèmes U-band (OESCL) : Le compromis est encore plus favorable dans les systèmes multibandes. Opérer à $E_b^{min}$ permet d'obtenir une réduction de 71,9 % de la consommation de puissance totale pour une pénalité de débit de 8,5 %.
3. Comportement d'échelle : L'analyse montre que pour les HCF, $E_b^{min}$ se produit systématiquement autour de 7 dBm par canal (22 dBm au total pour la bande C), tandis que $T_{max}^{tot}$ se produit autour de 22 dBm par canal (37 dBm au total).

Signification
L'article conclut que l'hypothèse d'une consommation de puissance d'amplification négligeable dans les systèmes à peu de segments est invalide pour les HCF lorsqu'ils fonctionnent à des puissances de lancement élevées. En identifiant et en opérant au point de puissance de lancement spécifique qui minimise l'énergie par bit, les systèmes de transmission HCF peuvent atteindre des économies d'énergie substantielles (jusqu'à ~72 %) avec un impact minimal sur le débit de données. Cette conclusion suggère que pour un déploiement efficace sur le plan énergétique des HCF, particulièrement dans les scénarios UWB, la conception du système doit donner la priorité au point de fonctionnement $E_b^{min}$ plutôt qu'au point $T_{max}^{tot}$. Cette approche réduit non seulement la consommation totale de puissance, mais atténue également le besoin d'amplificateurs de haute puissance dans les scénarios où le débit est limité par le SNR de l'émetteur-récepteur plutôt que par la non-linéarité de la fibre.