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

Sintesi Tecnica: Sulla Potenza di Lancio Ottima per Energia per Bit nei Sistemi di Trasmissione in Fibra Hollow-core Coerente

Definizione del Problema
Le fibre hollow-core (HCF) sono emerse come un'alternativa promettente alle convenzionali fibre monomodali in silice (SMF) grazie al loro potenziale di riduzione della latenza, una non linearità significativamente inferiore e un'attenuazione al di sotto di 0,1 dB/km. Queste caratteristiche consentono lunghezze di tratta più estese (superiori a 200 km) e potenze di lancio più elevate (potenzialmente superiori a 40 dBm), il che potrebbe ridurre il numero di amplificatori richiesti e migliorare l'efficienza energetica. Tuttavia, mentre la trasmissione ultra-wideband (UWB) è un obiettivo chiave per scalare la capacità, l'efficienza di conversione della potenza (PCE) degli amplificatori per lunghezze d'onda non appartenenti alla banda C (bande O, E, S) è attualmente inferiore a quella degli amplificatori a fibra drogata con Erbio (EDFA) della banda C.

Un'ipotesi critica nei sistemi SMF convenzionali è che, per collegamenti a pochi tratti (few-span), il consumo di potenza degli amplificatori ottici sia trascurabile rispetto a quello dei transceiver coerenti. Questo studio investiga se tale ipotesi sia valida per i sistemi HCF. Poiché le HCF supportano potenze di lancio molto più elevate rispetto alle SMF, gli autori ipotizzano che il consumo di potenza dell'amplificatore possa diventare comparabile, o addirittura superiore, al consumo di potenza del transceiver ad alte potenze di lancio. Questa discrepanza suggerisce che la potenza di lancio necessaria per raggiungere la massima capacità ($T_{max}^{tot}$) possa differire significativamente dalla potenza di lancio necessaria per raggiungere l'energia minima per bit ($E_b^{min}$), una distinzione meno marcata nei sistemi SMF.

Metodologia
Gli autori hanno sviluppato un modello a rumore Gaussiano (GN) a forma chiusa per stimare il rapporto segnale-rumore (SNR) per canale e l'energia totale per bit ($E_b$) per i sistemi di trasmissione HCF. Il modello è stato esteso per supportare sistemi UWB incorporando i profili di attenuazione e dispersione dipendenti dalla lunghezza d'onda delle HCF, basati su profili simulati di fibre Double-Clad Anti-Resonant Nodeless (DNANF).

I parametri e le assunzioni chiave della modellazione includono:

• Profilo della Fibra: Profili simulati con circa 0,075 dB/km di attenuazione a 1550 nm e circa 0,12 dB/km a 1310 nm, con bassa dispersione attraverso le bande OESCL.
• Configurazione del Sistema: Le simulazioni hanno coperto collegamenti di 1000 km (composti da 5 tratti da 200 km) in configurazioni C-band e UWB (O, E, S, C, L).
• Rumore e Disturbi: Il calcolo dell'SNR ha incluso l'accumulo di emissione spontanea amplificata (ASE), l'interferenza non lineare (NLI), l'interferenza inter-modale (IMI) e il rumore del transceiver. L'effetto Raman stimolato inter-canale (ISRS) è stato trascurato.
• Consumo di Potenza: La potenza totale del collegamento è stata calcolata come la somma della potenza dell'amplificatore ($P_{amp}^e$) e della potenza del transceiver ($P_{trx}^e$). La potenza dell'amplificatore è stata derivata dal numero di tratti, dalle potenze di ingresso/uscita e dai valori di PCE specifici per la lunghezza d'onda (che variano dallo 0,7% per la banda O al 6,0% per la banda C). La potenza del transceiver è stata modellata come un valore costante di 24 W per modulo.
• Capacità (Throughput): Calcolata utilizzando la capacità di Shannon basata sull'SNR e un baud rate fisso di 140 GBd.

Contributi Chiave e Risultati
Lo studio dimostra che, a differenza dei sistemi SMF dove la potenza del transceiver domina e la potenza di lancio ottimale per l'efficienza energetica si allinea strettamente con la massima capacità, i sistemi HCF esibiscono due punti operativi distinti a causa dell'interazione tra l'alta potenza di lancio e l'efficienza dell'amplificatore.

1. Divergenza dei Punti Operativi: Nelle HCF, all'aumentare della potenza di lancio verso il punto di massima capacità, il consumo di potenza dell'amplificatore cresce rapidamente e diventa comparabile alla potenza del transceiver. Poiché la capacità delle HCF è limitata dall'SNR del transceiver piuttosto che dalla non linearità Kerr (che limita le SMF), aumentare la potenza di lancio oltre un certo punto produce guadagni di capacità trascurabili pur aumentando significativamente il consumo di potenza. Di conseguenza, la potenza di lancio per l'energia minima per bit ($E_b^{min}$) è significativamente inferiore rispetto a quella per la massima capacità ($T_{max}^{tot}$).
2. Guadagni Quantitativi:
   • C-band (1000 km): Operare a $E_b^{min}$ (circa 22 dBm di potenza di lancio totale) invece di $T_{max}^{tot}$ (circa 37 dBm di potenza di lancio totale) comporta una riduzione del 41,5% nel consumo di potenza totale con una penalità di throughput del solo 2,2%.
   • Sistemi a banda ultra-larga (U-band, OESCL): Il compromesso è ancora più favorevole nei sistemi multi-banda. Operare a $E_b^{min}$ garantisce una riduzione del 71,9% del consumo di potenza totale per una penalità di throughput dell'8,5%.
3. Comportamento di Scalabilità: L'analisi mostra che per le HCF, $E_b^{min}$ si verifica costantemente intorno a 7 dBm per canale (22 dBm totali per la banda C), mentre $T_{max}^{tot}$ si verifica intorno a 22 dBm per canale (37 dBm totali).

Significatività
Il documento conclude che l'assunzione di un consumo di potenza dell'amplificatore trascurabile nei sistemi a pochi tratti è invalida per le HCF quando operano ad alte potenze di lancio. Identificando e operando al punto di lancio specifico che minimizza l'energia per bit, i sistemi di trasmissione HCF possono ottenere risparmi energetici sostanziali (fino a circa il 72%) con un impatto minimo sulla capacità di trasmissione dei dati. Questa scoperta suggerisce che, per una distribuzione efficiente dal punto di vista energetico delle HCF, particolarmente negli scenari UWB, la progettazione del sistema dovrebbe dare priorità al punto operativo $E_b^{min}$ rispetto al punto $T_{max}^{tot}$. Questo approccio non solo riduce il consumo totale di potenza, ma allevia anche la necessità di amplificatori ad alta potenza in scenari in cui la capacità è limitata dall'SNR del transceiver piuttosto che dalla non linearità della fibra.