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

기술 요약: 코히어런트 중공 코어 광섬유 전송 시스템에서의 최적 에너지당 비트(Energy-per-bit) 송출 전력에 관하여

문제 제기
중공 코어 광섬유(Hollow-core fibres, HCFs)는 낮은 지연 시간, 현저히 낮은 비선형성, 그리고 0.1 dB/km 미만의 감쇠 특성을 갖춘 잠재력 덕분에 기존 실리카 단일 모드 광섬유(SMF)의 유망한 대안으로 부상했습니다. 이러한 특성은 더 긴 스팬 길이(200 km 초과)와 더 높은 송출 전력(잠재적으로 40 dBm 초과)을 가능하게 하여, 필요한 증폭기의 수를 줄이고 에너지 효율을 개선할 수 있습니다. 그러나 초광대역(UWB) 전송은 처리량을 확장하기 위한 핵심 목표이지만, 비 C-밴드 파장(O, E, S-밴드)에 대한 증폭기의 전력 변환 효율(PCE)은 현재 C-밴드 에르븀 첨가 광섬유 증폭기(EDFA)보다 낮습니다.

기존 SMF 시스템의 핵심적인 가정은 몇 개의 스팬으로 구성된 링크에서 광 증폭기의 전력 소비가 코히어런트 트랜시버의 전력 소비에 비해 무시할 수 있는 수준이라는 것입니다. 본 논문은 HCF 시스템에서도 이 가정이 성립하는지 조사합니다. HCF는 SMF보다 훨씬 높은 송출 전력을 지원할 수 있으므로, 저자들은 송출 전력이 높아짐에 따라 증폭기 전력 소비가 트랜시버 전력 소비와 비슷해지거나 심지어 이를 초과할 수도 있다고 상정합니다. 이러한 불일치는 최대 처리량($T_{max}^{tot}$)을 달 a하기 위해 필요한 송출 전력이 최소 에너지당 비트($E_b^{min}$)를 달성하기 위해 필요한 송출 전력과 크게 다를 수 있음을 시사하며, 이는 SMF 시스템에서는 덜 두드러지는 차이입니다.

방법론
저자들은 HCF 전송 시스템의 채널당 신호 대 잡음비(SNR) 및 총 에너지당 비트($E_b$)를 추정하기 위해 폐쇄형 가우시안 잡음(GN) 모델을 개발했습니다. 이 모델은 시뮬레이션된 첫 번째 윈도우 이중 클래드 안티-레조넌트 노드리스 광섬유(DNANF) 설계를 기반으로 파장 의존적 HCF 감쇠 및 분산 프로파일을 통합하여 UWB 시스템을 지원하도록 확장되었습니다.

주요 모델링 파라미터 및 가정은 다음과 같습니다:

• 광섬유 프로파일: 1550 nm에서 약 0.075 dB/km 감쇠 및 1310 nm에서 약 0.12 dB/km 감쇠를 가지며, OESCL 대역 전반에 걸쳐 낮은 분산을 보이는 시뮬레이션된 프로파일.
• 시스템 구성: C-밴드 및 UWB(O, E, S, C, L) 구성을 포함한 1000 km 링크(5 × 200 km 스팬으로 구성)에 대한 시뮬레이션 수행.
• 잡음 및 결함: SNR 계산에는 누적된 증폭된 자발 방출(ASE), 비선형 간섭(NLI), 모드 간 간섭(IMI) 및 트랜시버 잡음이 포함되었습니다. 채널 간 스팀튼 라만 산란(ISRS)은 무시되었습니다.
• 전력 소비: 총 링크 전력은 증폭기 전력($P_{amp}^e$)과 트랜시버 전력($P_{trx}^e$)의 합으로 계산되었습니다. 증폭기 전력은 스팬 수, 입력/출력 전력 및 파장별 PCE 값(O-밴드 0.7%에서 C-밴드 6.0% 범위)을 사용하여 도출되었습니다. 트랜시버 전력은 모듈당 고정된 24 W로 모델링되었습니다.
• 처리량: Shannon 용량을 사용하여 SNR과 고정된 보드 레이트 140 GBd를 기준으로 계산되었습니다.

주요 기여 및 결과
본 연구는 트랜시버 전력이 지배적이며 에너지 효율을 위한 최적 송출 전력이 최대 처리량과 밀접하게 일치하는 SMF 시스템과 달리, HCF 시스템은 높은 송출 전력과 증폭기 효율 사이의 상호작용으로 인해 두 개의 뚜렷한 동작점을 보인다는 점을 입증합니다.

1. 동작점의 괴리: HCF에서는 송출 전력이 최대 처리량 지점을 향해 증가함에 따라 증폭기 전력 소비가 급격히 증가하여 트랜시버 전력과 비슷해집니다. HCF의 처리량은 (SMF를 제한하는) 커 효과(Kerr nonlinearity)보다는 트랜시버 SNR에 의해 제한되기 때문에, 특정 지점 이상으로 송출 전력을 높이는 것은 처리량 이득을 거의 가져오지 못하면서 전력 소비를 크게 증가시킵니다. 결과적으로, 최소 에너지당 비트($E_b^{min}$)를 위한 송출 전력은 최대 처리량($T_{max}^{tot}$)을 위한 송출 전력보다 현저히 낮습니다.
2. 정량적 이득:
   • C-밴드 (1000 km): $T_{max}^{tot}$(약 37 dBm 총 송출 전력) 대신 $E_b^{min}$(약 22 dBm 총 송출 전력)에서 작동할 경우, **처리량 손실은 단 2.2%**만 발생하면서 총 전력 소비가 41.5% 감소합니다.
   • U-밴드 시스템 (OESCL): 멀티 밴드 시스템에서는 트레이드오프가 더욱 유리합니다. $E_b^{min}$에서 작동하면 8.5%의 처리량 손실로 71.9%의 총 전력 소비 감소를 얻을 수 있습니다.
3. 스케일링 동작: 분석 결과, HCF의 경우 $E_b^{min}$은 일관되게 채널당 약 7 dBm(C-밴드의 경우 총 22 dBm)에서 발생하며, $T_{max}^{tot}$는 채널당 약 22 dBm(총 37 dBm)에서 발생합니다.

의의
본 논문은 몇 개의 스팬으로 구성된 시스템에서 증폭기 전력 소비가 무시 가능하다는 가정이 높은 송출 전력으로 작동하는 HCF의 경우 유효하지 않다고 결론짓습니다. 에너지당 비트를 최소화하는 특정 송출 전력을 식별하고 운용함으로써, HCF 전송 시스템은 데이터 처리량에 미치는 영향은 최소화하면서 상당한 에너지 절감(최대 ~72%)을 달성할 수 있습니다. 이 발견은 특히 UWB 시나리오에서 에너지 효율적인 HCF 배포를 위해 시스템 설계가 $T_{max}^{tot}$ 지점보다 $E_b^{min}$ 동작 지점을 우선시해야 함을 시사합니다. 이 접근 방식은 총 전력 소비를 줄일 뿐만 아니라, 처리량이 광섬유 비선형성이 아닌 트랜시버 SNR에 의해 제한되는 시나리오에서 고출력 증폭기의 필요성을 완화합니다.