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

Resumo Técnico: Propagação Digital de Campo Total de Um Terahertz sobre 3000 km

Definição do Problema
A propagação digital de campo total (DBP de campo total) visa detectar e compensar conjuntamente todos os sinais interferentes dentro de um link de transmissão, visando especificamente as não linearidades de fibra entre canais, como a modulação de fase cruzada (XPM) e a mistura de quatro ondas (FWM). Embora o DBP por canal compense efeitos intra-canal, ele falha em abordar a interferência não linear entre canais. No entanto, implementar o DBP de campo total sobre larguras de banda ultra-amplas (por exemplo, 1 THz) apresenta desafios significativos. Estes incluem a necessidade de costura de frequência de múltiplos receptores coerentes síncronos, a exigência de um oscilador local de pente de frequência para garantir o espaçamento consistente e a inclusão da dispersão de terceira ordem ($\beta_3$) nos modelos de propagação, uma vez que a inclinação da dispersão ao longo de 1 THz é equivalente a mais de 100 km de dispersão após 3000 km de fibra. Além disso, os ganhos potenciais desta abordagem são teoricamente limitados pelo ruído e pela dispersão de modo de polarização (PMD), necessitando de validação experimental de sua viabilidade para transmissão de longa distância.

Metodologia
Os autores implementaram um experimento de DBP de campo total de 1-THz sobre um link de linha reta de 3000 km usando fibra G.654 de núcleo de sílica pura. A configuração experimental envolveu os seguintes componentes principais:

• Transmissor: Um sinal WDM de 20 canais foi gerado usando 20 lasers de cavidade externa (ECLs) de funcionamento livre com larguras de linha abaixo de 100 kHz. Os canais foram modulados em 64-QAM a 47,5 GBd com uma forma de raiz levantada de cosseno (RRC) de roll-off de 0,01. Os canais foram espaçados 50 GHz entre si. Dois grupos de sub-bandas (ímpares e pares) foram modulados independentemente via moduladores de intensidade de polarização dupla (DPIQMs) e recombinados.
• Link de Transmissão: O sinal atravessou 30 spans de 100 km de fibra, com EDFAs de achatamento de ganho compensando a perda de span e equalizando o perfil de potência espectral.
• Receptor: O sinal recebido foi amplificado para 27 dBm e dividido em 20 ramos. Cada ramo passou por um filtro passa-faixa de banda estreita e foi alimentado em um receptor coerente de polarização dupla equipado com fotodiodos de 70 GHz. Um pente de frequência óptica com espaçamento de 25 GHz, roteado via interleaver e um AWG de espaçamento de 50 GHz, serviu como o oscilador local (LO) para cada receptor, garantindo o espaçamento de frequência consistente.
• Processamento Digital de Sinais (DSP):
  • Costura de Frequência: As 20 sub-bandas recebidas foram alinhadas no tempo usando a sobreposição entre bandas adjacentes (estimando o atraso relativo a partir da potência total recebida) e alinhadas em frequência (estimando o espaçamento entre sub-bandas a partir da região de sobreposição). Isso alcançou alinhamento de tempo sub-picosegundo e alinhamento de frequência sub-kHz. As sub-bandas foram então costuradas usando ponderação de cosseno levantado para reconstruir o campo total de 1-THz.
  • Algoritmo DBP: A equação de Manakov inversa foi resolvida numericamente usando o método de passo de Fourier (SSFM) com controle adaptativo de erro local. O modelo de propagação incluiu tanto a dispersão de segunda ordem ($\beta_2$) quanto a de terceira ordem ($\beta_3$). O DBP de campo total operou a uma taxa de amostragem de 4 THz, enquanto o DBP por canal usou 200 GHz.
  • Recuperação: O sinal retropropagado foi re-sincronizado, o deslocamento de frequência de portadora foi removido e o sinal foi equalizado usando equalizadores LMS de dados auxiliados e de decisão direta com recuperação de portadora. O desempenho foi avaliado usando Informação Mútua Generalizada (GMI).

Principais Contribuições

1. Demonstração Experimental: O artigo apresenta a primeira demonstração de DBP de campo total sobre uma largura de banda de 1-THz através de um link de fibra de 3000 km.
2. Arquitetura do Sistema: O trabalho utiliza uma arquitetura inovadora combinando 20 receptores coerentes síncronos, um oscilador local de pente de frequência e costura digital precisa para capturar o espectro de banda larga.
3. Precisão de Modelagem: O estudo incorpora a dispersão de terceira ordem ($\beta_3$) no modelo de DBP, reconhecendo sua importância em larguras de banda de 1 THz, e realiza a estimativa de parâmetros por canal para dispersão e uma varredura para o coeficiente não linear.
4. Técnicas de Alinhamento: Os autores detalham as técnicas de alinhamento de tempo sub-picosegundo e de alinhamento de frequência sub-kHz necessárias para alcançar ganhos mensuráveis a partir do processamento de campo total.

Resultos
O experimento comparou três métodos de processamento: Compensação de Dispersão Eletrônica (EDC), DBP por canal e DBP de campo total costurado.

• Ganhos de Throughput: Em uma potência de lançamento ideal de 16 dBm, o DBP de campo total costurado alcançou um throughput total de 7647,6 Gbps. Isso representa um ganho de 393 Gbps (5,4%) sobre o EDC (7254,4 Gbps) e mais que o dobro do ganho do DBP por canal (160 Gbps ou 2,2%).
• Melhorias de SNR: A Relação Sinal-Ruído (SNR) média para o DBP de campo total costurado atingiu o pico em 13,01 dB, oferecendo um ganho de 0,65 dB sobre o EDC e um ganho de 0,26 dB sobre o DBP por canal.
• Desempenho por Canal: O DBP costurado melhorou consistentemente a SNR em todos os 20 canais, com os ganhos mais significativos observados nos canais 1, 4, 6 e 8–10. O ganho de SNR por canal sobre o EDC variou de 0,3 a 1,3 dB.
• Complexidade Computacional: O DBP de campo total exigiu aproximadamente 5,8 vezes mais passos de SSFM do que todas as instâncias de DBP por canal combinadas, além do aumento de 20 vezes na largura de banda.

Significância e Alegações
O artigo afirma que o DBP de campo total é um método viável para compensar não linearidades entre canais em sistemas de transmissão óptica de ultra-banda larga. Os resultados demonstram que o processamento conjunto de um espectro de 1-THz produz ganhos de throughput significativamente maiores do que os alcançáveis tratando os canais de forma independente. Os autores observam que, embora a abordagem seja eficaz, os ganhos são fundamentalmente limitados por fenômenos como ruído e dispersão de modo de polarização (PMD), que decorrelacionam o campo ao longo de longas distâncias, a menos que sejam explicitamente modelados. O trabalho sugere que otimizações adicionais, como o ajuste por fatia (per-slice) da potência de lançamento efetiva no modelo de DBP para considerar a potência óptica não uniforme entre as sub-bandas, poderiam potencialmente aumentar esses ganhos. O estudo conclui que o alinhamento sub-picosegundo e o controle preciso de frequência são pré-requisitos para realizar o potencial do DBP de campo total em transmissão de longa distância.