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

Resumo Técnico: Sobre a Potência de Lançamento Ótima por Energia-por-bit em Sistemas de Transmissão de Fibra de Núcleo Oco Coerente

Definição do Problema
As fibras de núcleo oco (HCFs) emergiram como uma alternativa promissora às fibras monomodo de sílica (SMFs) convencionais devido ao seu potencial para redução de latência, não linearidade significativamente menor e atenuação abaixo de 0,1 dB/km. Estas características permitem comprimentos de span mais longos (excedendo 200 km) e potências de lançamento mais elevadas (potencialmente excedendo 40 dBm), o que poderia reduzir o número de amplificadores necessários e melhorar a eficiência energética. No entanto, embora a transmissão de banda ultra-larga (UWB) seja um objetivo fundamental para escalar a capacidade de processamento, a eficiência de conversão de potência (PCE) dos amplificadores para comprimentos de onda fora da banda C (bandas O, E, S) é atualmente inferior à dos amplificadores de fibra dopada com Érbio (EDFAs) da banda C.

Uma suposição crítica em sistemas SMF convencionais é que, para links de poucos spans, o consumo de potência dos amplificadores ópticos é negligenciável em comparação com o dos transceivers coerentes. Este artigo investiga se esta suposição se mantém para sistemas HCF. Dado que as HCFs suportam potências de lançamento muito superiores às das SMFs, os autores postulam que o consumo de potência do amplificador pode tornar-se comparável, ou até superior, ao consumo de potência do transceiver em altas potências de lançamento. Esta discrepância sugere que a potência de lançamento necessária para atingir a capacidade máxima ($T_{max}^{tot}$) pode diferir significativamente da potência de lançamento necessária para atingir a energia-por-bit mínima ($E_b^{min}$), uma distinção que é menos pronunciada em sistemas SMF.

Metodologia
Os autores desenvolveram um modelo de Ruído Gaussiano (GN) de forma fechada para estimar a Relação Sinal-Ruído (SNR) por canal e a energia-por-bit ($E_b$) total para sistemas de transmissão HCF. O modelo foi estendido para suportar sistemas UWB incorporando perfis de atenuação e dispersão dependentes do comprimento de onda da HCF, baseados em designs simulados de Fibra Anti-Ressonante Nodeless de Dupla Camada (DNANF) da primeira janela.

Principais parâmetros e suposições de modelagem incluem:

• Perfil da Fibra: Perfis simulados com ~0,075 dB/km de atenuação a 1550 nm e ~0,12 dB/km a 1310 nm, com baixa dispersão através das bandas OESCL.
• Configuração do Sistema: As simulações cobriram links de 1000 km (compostos por 5 spans de 200 km) em configurações de banda C e UWB (O, E, S, C, L).
• Ruído e Impedimentos: O cálculo da SNR incluiu a emissão espontânea amplificada (ASE) acumulada, interferência não linear (NLI), interferência inter-modal (IMI) e ruído do transceiver. A dispersão de Raman inter-canal (ISRS) foi negligenciada.
• Consumo de Potência: A potência total do link foi calculada como a soma da potência do amplificador ($P_{amp}^e$) e a do transceiver ($P_{trx}^e$). A potência do amplificador foi derivada através do número de spans, potências de entrada/saída e valores de PCE específicos para cada comprimento de onda (variando de 0,7% para a banda O a 6,0% para a banda C). A potência do transceiver foi modelada como um valor constante de 24 W por módulo.
• Capacidade (Throughput): Calculada usando a capacidade de Shannon baseada na SNR e uma taxa de baud fixa de 140 GBd.

Principais Contribuições e Resultados
O estudo demonstra que, ao contrário dos sistemas SMF, onde a potência do transceiver domina e a potência de lançamento ótima para a eficiência energética se alinha de perto com a capacidade máxima, os sistemas HCF exibem dois pontos de operação distintos devido à interação entre a alta potência de lançamento e a eficiência do amplificador.

1. Divergência de Pontos de Operação: Na HCF, à medida que a potência de lançamento aumenta em direção ao ponto de capacidade máxima, o consumo de potência do amplificador cresce rapidamente e torna-se comparável à potência do transceiver. Como a capacidade da HCF é limitada pela SNR do transceiver e não pela não linearidade de Kerr (que limita a SMF), aumentar a potência de lançamento além de um certo ponto produz ganhos de capacidade negligenciáveis enquanto aumenta significativamente o consumo de potência. Consequentemente, a potência de lançamento para a energia-por-bit mínima ($E_b^{min}$) é significativamente inferior àquela para a capacidade máxima ($T_{max}^{tot}$).
2. Ganhos Quantitativos:
   • Banda C (1000 km): Operar em $E_b^{min}$ (aprox. 22 dBm de potência de lançamento total) em vez de $T_{max}^{tot}$ (aprox. 37 dBm de potência de lançamento total) resulta numa redução de 41,5% no consumo total de potência com apenas uma penalização de 2,2% na capacidade.
   • Sistemas de Banda U (OESCL): O compromisso é ainda mais favorável em sistemas de múltiplas bandas. Operar em $E_b^{min}$ proporciona uma redução de 71,9% no consumo total de potência para uma penalização de 8,5% na capacidade.
3. Comportamento de Escala: A análise mostra que, para HCF, o $E_b^{min}$ ocorre consistentemente em torno de 7 dBm por canal (22 dBm total para banda C), enquanto o $T_{max}^{tot}$ ocorre em torno de 22 dBm por canal (37 dBm total).

Significância
O artigo conclui que a suposição de consumo de potência de amplificador negligenciável em sistemas de poucos spans é inválida para HCFs quando operando em altas potências de lançamento. Ao identificar e operar no ponto de lançamento específico que minimiza a energia-por-bit, os sistemas de transmissão HCF podem alcançar economias de energia substanciais (até ~72%) com impacto mínimo na capacidade de dados. Esta descoberta sugere que, para o deployment eficiente de energia de HCF, particularmente em cenários UWB, o design do sistema deve priorizar o ponto de operação $E_b^{min}$ sobre o ponto $T_{max}^{tot}$. Esta abordagem não só reduz o consumo total de potência, como também alivia a necessidade de amplificadores de alta potência em cenários onde a capacidade é limitada pela SNR do transceiver e não pela não linearidade da fibra.