Novela 19

Investigadores de Japón y Australia han desarrollado una nueva fibra óptica multinúcleo capaz de transmitir una velocidad récord de 1,7 petabits por segundo, manteniendo al mismo tiempo la compatibilidad con la infraestructura de fibra existente. El equipo, del Instituto Nacional de Tecnología de la Información y las Comunicaciones (NICT) de Japón, Sumitomo Electric Industries y la Universidad Macquarie de Sydney, Australia, logró la hazaña utilizando una fibra con 19 núcleos. Esta es la mayor cantidad de núcleos empaquetados en un cable con un diámetro de revestimiento estándar de 0,125 milímetros.

"Creemos que 19 núcleos es el número práctico más alto de núcleos o canales espaciales que se puede tener en una fibra con un diámetro de revestimiento estándar y aun así mantener una transmisión de buena calidad", afirma Georg Rademacher, que anteriormente dirigió el proyecto de NICT pero que recientemente regresó a Alemania para Asumir una dirección en comunicaciones ópticas en la Universidad de Stuttgart.

La mayoría de los cables de fibra para transmisión a larga distancia que se utilizan hoy en día son fibras de vidrio monomodo (SMF) de núcleo único. Pero SMF se está acercando a su límite práctico a medida que el tráfico de red aumenta rápidamente debido a la inteligencia artificial, la computación en la nube y las aplicaciones de IoT. Por ello, muchos investigadores se están interesando por la fibra multinúcleo junto con la multiplexación por división espacial (SDM), una técnica de transmisión para utilizar múltiples canales espaciales en un cable.

“La capacidad de la nueva fibra acoplada aleatoriamente no es tan notable. Lo destacable es que utiliza un revestimiento estándar”.—Govind Agrawal, Universidad de Rochester

Hay dos tipos comunes de fibra multinúcleo (MCF). En MCF débilmente acoplado, los núcleos están separados con precisión entre sí para suprimir la diafonía. Pero esto normalmente limita la cantidad de núcleos que caben en un cable.

En cambio, Sumitomo Electric ha diseñado y fabricado MCF acoplados aleatoriamente en los que los núcleos están dispuestos intencionalmente al azar. Sin necesidad de un espaciado preciso, los núcleos se pueden empaquetar más juntos. Esto aumenta la densidad espacial del cable y la cantidad de núcleos que se pueden utilizar. La disposición aleatoria también amplía la interacción entre los núcleos, permitiendo que la luz de un núcleo se acople con la luz de otros cercanos. Como explica Rademacher, una señal transmitida en cualquier núcleo del MCF de Sumitomo Electric utiliza simultáneamente los 19 núcleos, por lo que la fibra logra una mayor capacidad de datos al utilizar la mayor densidad de canales espaciales disponible. Luego se utiliza el procesamiento de señales digitales de múltiples entradas y múltiples salidas (MIMO) para separar y demodular las señales individuales en el extremo receptor.

Diecinueve núcleos es "el punto óptimo porque todos los canales se comportan de manera similar, ayudado por el acoplamiento aleatorio que ayuda a promediar las fluctuaciones en las propiedades de la fibra", dice Rademacher. Y en comparación con los MCF débilmente acoplados, que requieren procesamiento de señal individual para cada núcleo, "sólo es necesaria una cantidad mínima de procesamiento de señal digital, lo que reduce significativamente el consumo de energía".

Sin embargo, observadores independientes de la industria señalan que otros investigadores han desarrollado fibra no estándar con hasta 32 núcleos y han logrado 1 petabit por segundo en 200 kilómetros. “La capacidad de la nueva fibra acoplada aleatoriamente no es tan notable. Lo destacable es que utiliza un revestimiento estándar”, afirma Govind Agrawal, experto en óptica de la Universidad de Rochester, en Nueva York.

Además, Agrawal afirma que los núcleos débilmente acoplados que admiten múltiples modos han alcanzado capacidades superiores a 10 Pb/s. Nuevamente, esto fue con fibra de diámetro de revestimiento no estándar y la distancia se limitó a 11,3 km. "Este enfoque también requiere un procesamiento intensivo de señales digitales fuera de línea", añade.

El uso de fibra no estándar requeriría una reingeniería de la infraestructura de fibra óptica existente. Por otro lado, el MFC con revestimiento estándar sigue siendo compatible con los componentes, equipos y sistemas ópticos de uso común y puede aprovechar los métodos de producción en masa de cables existentes.

"Creemos que 19 núcleos es el número práctico más alto de núcleos o canales espaciales que se puede tener en una fibra con un diámetro de revestimiento estándar y aun así mantener una transmisión de buena calidad". —Georg Rademacher, Universidad de Stuttgart

Junto con el nuevo cable, otro elemento importante en la configuración son los chips ópticos que dirigen la luz a los núcleos individuales del MFC y recogen las señales de los núcleos en el extremo receptor. La mayoría de los chips ópticos actuales se fabrican utilizando métodos similares al procesamiento de circuitos integrados estándar en obleas. Pero esto limita los circuitos a una estructura plana bidimensional, que no se adapta a la geometría del nuevo MCF, afirma Simon Gross, investigador del Centro de Investigación Fotónica de la Universidad Macquarie.

Para interconectar el MCF con el equipo SMF estándar actualmente en uso, incluido el receptor de transmisión utilizado para recopilar los datos de las pruebas NICT, Gross y sus colegas han desarrollado un chip de vidrio compacto grabado con láser que incorpora un patrón de guía de ondas tridimensional para coincidir con la geometría. de los núcleos individuales en el MCF.

"Utilizamos un láser para grabar un patrón de guía de ondas en un bloque de vidrio del tamaño de una uña", explica Gross. "Las guías de ondas permiten la alimentación simultánea de señales a los 19 núcleos individuales de la fibra con pérdidas bajas y uniformes". El proceso de grabado se puede automatizar y es rápido, añade. "Inscribir las guías de ondas para el MCF de 19 núcleos lleva menos de 30 segundos con solo presionar un botón, aunque el procesamiento y el empaquetado finales llevarán mucho más tiempo".

Para demostrar el rendimiento de transmisión del nuevo MCF, NICT construyó un sistema de transmisión óptica en su sede en Koganei, Tokio. Empleando bandas de longitud de onda C y L comúnmente utilizadas, y técnicas de codificación de señales como señales moduladas en amplitud en cuadratura (QAM) de 64 polarización multiplexada, los investigadores lograron una velocidad de transmisión de 1,7 Pb/s en una distancia de 63,5 km, un registre tanto la capacidad de datos como la distancia utilizando fibra de revestimiento estándar. Para separar las señales en el extremo receptor, el procesamiento de señales digitales MIMO se realizó fuera de línea.

Los resultados se presentaron en la 46ª Conferencia de Comunicaciones por Fibra Óptica en San Diego el pasado mes de marzo.

El mayor desafío al que se enfrentan los investigadores es más económico que tecnológico, afirma Rademacher. "Para que la tecnología se comercialice, necesitamos que una empresa invierta en algunas partes clave". Los ejemplos que da son un chip dedicado al procesamiento de señales digitales, que actualmente se realiza fuera de línea, y la necesidad de amplificadores adecuados para amplificar la señal a largas distancias.

Agrawal está de acuerdo. “Incluso para la corta distancia de 63,5 kilómetros, el procesamiento digital de señales actual lleva demasiado tiempo para ser práctico. Pero con un mayor desarrollo, es probable que estas fibras encuentren uso en sistemas de telecomunicaciones”.

Esta historia se actualizó el 28 de junio de 2023 para corregir las dimensiones del revestimiento de fibra estándar.