Fujitsu Limited y KDDI Research han anunciado que han desarrollado con éxito una tecnología de transmisión de multiplexación de longitudes de onda multibanda de gran capacidad utilizando fibras ópticas instaladas. Las dos empresas han desarrollado una tecnología que permite la transmisión de bandas de longitud de onda distintas de la banda C, que no se ha utilizado en comunicaciones ópticas comerciales de media y larga distancia, utilizando una tecnología de conversión de longitud de onda por lotes y amplificación multibanda. La red de comunicaciones por fibra óptica introducida con esta tecnología permite la transmisión de longitudes de onda con una multiplicidad 5,2 veces superior a la de la actual tecnología de transmisión óptica comercial. Esto permite utilizar las instalaciones de fibra óptica ya instaladas para aumentar el tráfico de comunicaciones de forma rentable y eficiente. La tecnología facilita la ampliación de la capacidad de transmisión en zonas urbanas y áreas residenciales densamente pobladas, donde la instalación puede resultar complicada, y ofrece la posibilidad de reducir significativamente el tiempo necesario para poner en marcha el servicio y reducir costes.

El desarrollo se llevó a cabo como parte del "Proyecto de investigación y desarrollo de las infraestructuras mejoradas para los sistemas de información y comunicación post-5G (1)" (2) encargado por la Organización para el Desarrollo de Nuevas Energías y Tecnologías Industriales (NEDO) de Japón.

Figura 1: Imagen del sistema que aplica la tecnología de transmisión de multiplexación multibanda por longitud de onda de alta capacidad

Antecedentes del proyecto

En medio de la creciente demanda de servicios que aprovechen el IoT, la inteligencia artificial (IA) y el análisis de big data, NEDO tiene como objetivo fortalecer la base de desarrollo y fabricación de los sistemas de información y comunicaciones post-5G de Japón mediante el desarrollo de tecnologías básicas para los sistemas de información y comunicaciones post-5G. Como parte de este esfuerzo, desde octubre de 2020 hasta octubre de 2023, Fujitsu y KDDI Research participan en un proyecto para mejorar el rendimiento de las redes ópticas post-5G. Las redes comerciales convencionales de comunicación por fibra óptica utilizan fibras monomodo en las que la luz pasa sólo por el centro de la fibra óptica, y utilizan la banda C (banda de longitud de onda: 1.530 nm a 1.565 nm) (3) como banda de transmisión de señales de la red óptica. Sin embargo, a medida que aumenta la cantidad de tráfico de comunicaciones, se espera que la banda C por sí sola tenga una capacidad de transmisión insuficiente. Para aumentar la capacidad de transmisión por fibra, las dos empresas se propusieron aumentar la banda de longitud de onda utilizada de la banda C a la banda L (1.565 nm a 1.625 nm), la banda S (1.460 nm a 1.530 nm), la banda U (1.625 nm a 1.675 nm) y la banda O (1.260 nm a 1.360 nm), con el objetivo de hacerla multibanda.

Resultados del proyecto

Como parte del proyecto, Fujitsu construyó un modelo de simulación que tiene en cuenta los factores de degradación del rendimiento de transmisión en la transmisión multibanda, lo que permite el diseño de transmisión de sistemas de multiplexación de longitud de onda multibanda. El modelo de simulación refleja los resultados de las mediciones de las características de la fibra óptica comercial y los parámetros de transmisión extraídos mediante la verificación del sistema experimental del convertidor de longitud de onda/amplificador multibanda integrado. Con este modelo, Fujitsu ha realizado simulaciones de alta precisión que reducen los errores de la medición real a 1 dB, lo que permite tener en cuenta la interacción entre bandas y la degradación del rendimiento de la transmisión.

La investigación de KDDI Research ha hecho posible utilizar en la banda O el doble de ancho de banda de frecuencias que en la banda C convencional, que nunca se había utilizado en la transmisión por multiplexación por división de longitud de onda de alta densidad (DWDM (4) ). Combinando ambas tecnologías, las dos empresas llevaron a cabo experimentos reales de transmisión utilizando fibras ópticas existentes y demostraron la transmisión multibanda multiplexada por longitud de onda (distancia de transmisión 45 km) en las bandas O, S, C, L y U (Figura 2), demostrando que la transmisión por longitud de onda es posible con una multiplicidad de longitudes de onda 5,2 veces superior a la de la transmisión convencional sólo por banda C. Las dos empresas también confirmaron en la simulación la transmisión multibanda por multiplexación de longitudes de onda (distancia de transmisión 560 km) en las bandas S, C, L y U.

A continuación, se describen los principales resultados de la investigación:

Figura 2: Espectro óptico recibido de una única fibra instalada cuando se transmiten simultáneamente las bandas O, S, C, L y U.

1. Establecimiento de la tecnología de transmisión multibanda de multiplexación densa por división de longitud de onda (DWDM).

En el diseño convencional de un sistema de transmisión en la banda C, los parámetros que podrían tratarse como constantes no tendrían problemas prácticos, pero en el caso de la transmisión multibanda en la banda S + banda C + banda L + banda U, no puede ignorarse la diferencia de rendimiento de transmisión entre las bandas de longitud de onda, y se requiere un diseño que tenga en cuenta la dependencia de la longitud de onda. Por ejemplo, los factores de degradación no lineal son más pronunciados a medida que aumenta la potencia óptica de entrada a la línea de transmisión y a medida que aumenta la distancia de transmisión, lo que limita el rendimiento de la transmisión. En particular, la dispersión Raman estimulada (5), la modulación de fase cruzada (6) y la mezcla de cuatro ondas (7) causadas por la interacción de la luz con múltiples longitudes de onda son prominentes a altas multiplicidades de longitud de onda, lo que afecta en gran medida al rendimiento de transmisión de los sistemas de multiplexación multibanda por longitud de onda.

En este proyecto, Fujitsu y KDDI Research establecieron un método de diseño para sistemas de multiplexación por longitud de onda multibanda mediante la construcción de un modelo de simulación que tiene en cuenta la interacción entre las distintas bandas y los factores de degradación del rendimiento de transmisión. Además, dado que las señales ópticas de multiplexación por división de longitud de onda (WDM) en las bandas S y U se generan mediante una tecnología de procesamiento de señales totalmente óptica a partir de señales ópticas en las bandas C y L, respectivamente, no es necesario utilizar transmisores y receptores dedicados a las bandas S y U. La integración de estas tecnologías ha hecho posible la transmisión DWDM en la banda S + banda C + banda L + banda U mediante tecnología de transmisión coherente, que aprovecha la fase de la luz, permitiendo así una comunicación de alta velocidad y gran capacidad.

Figura 3: Transición de la potencia óptica de la señal entre multibandas mediante dispersión Raman estimulada
Arriba: El caso sin control, Abajo: El caso con control para que la distribución de potencia óptica tras la propagación por fibra sea uniforme

2. Establecimiento de la tecnología de transmisión DWDM coherente en banda O

Tradicionalmente, la tecnología de transmisión coherente tiene tendencia a distorsionar las señales de transmisión en banda O debido a la influencia de otros componentes de la señal óptica. Además, el ruido no lineal, que suele aparecer en la banda O, suele ser difícil de eliminar con la tecnología de procesamiento digital de señales, lo que disminuye el rendimiento global del sistema. En consecuencia, la aplicación de la tecnología de transmisión coherente en la banda O ha sido todo un reto.

La minimización del ruido no lineal en la banda O es posible ajustando adecuadamente la potencia óptica transmitida para cada señal de longitud de onda densamente multiplexada. Este enfoque minimiza los efectos del ruido no lineal y consigue una transmisión DWDM coherente de más de 9,6 THz en la banda O, incluso si se omite el proceso de compensación de la señal en el lado del transmisor y la compensación de la dispersión de la longitud de onda en el lado del receptor. La banda O, que es una banda de longitud de onda cercana a la dispersión cero, se ve menos afectada por la dispersión de longitud de onda (8) y tiene la ventaja de reducir la carga del procesamiento digital de señales y mejorar la eficiencia energética.

Notas

- 1] Post-5G :Es el sistema de comunicaciones móviles que mejora la característica de latencia ultrabaja y múltiples conexiones simultáneas del sistema de comunicaciones móviles de 5ª generación (5G).
- 2] Proyecto :Nombre del proyecto (JPNP20017): Proyecto de Investigación y Desarrollo de las Infraestructuras Mejoradas para los Sistemas de Información y Comunicación Post-5G (encargado por la Organización para el Desarrollo de Nuevas Energías y Tecnologías Industriales (NEDO)).
- 3] Banda C :Abreviatura de banda convencional. Se refiere a la banda de longitud de onda de 1530~1565 nm utilizada para la comunicación óptica.
- 4] DWDM :Acrónimo de Dense Wavelength Division Multiplexing, es un método de multiplexación densa de longitudes de onda en tecnología WDM (Wavelength Division Multiplexing) que aumenta la densidad de transmisión multiplexando múltiples señales ópticas de diferentes longitudes de onda en un único haz de luz.
- 5] Dispersión Raman estimulada :Fenómeno en el que una señal óptica intensa (luz de bombeo) que se propaga a través de una fibra óptica excita las moléculas del material de vidrio de la fibra, lo que da lugar a la generación de nueva luz (luz de Stokes). Esta luz Stokes tiene una frecuencia más baja que la luz de bombeo y se propaga en la misma dirección. La dispersión Raman estimulada suele contribuir al ruido en la transmisión de señales ópticas de alta potencia y afecta a la calidad de la comunicación.
- 6] Modulación de fase cruzada :Múltiples señales ópticas que se propagan en una fibra óptica se afectan mutuamente, cambiando la fase de cada señal. En concreto, un cambio en la intensidad de una señal óptica (pulso óptico) cambia la fase de otras señales ópticas que se propagan en la misma fibra óptica. Esta modulación de fase está causada por la no linealidad de la fibra óptica. La modulación de fase cruzada puede causar distorsión de la señal e interferencias en sistemas en los que se propagan simultáneamente varias señales ópticas, como los sistemas DWDM.
- 7] Mezcla de cuatro ondas :Múltiples ondas de luz que se propagan en una fibra óptica interactúan para generar nuevas ondas de luz. Esta nueva onda de luz se propaga a la misma velocidad y en la misma dirección que la onda de luz original, pero su frecuencia viene determinada por la combinación de las frecuencias de las ondas de luz originales. La mezcla de cuatro ondas está causada por las no linealidades de la fibra óptica, especialmente en presencia de señales ópticas de alta potencia o señales ópticas muy espaciadas (por ejemplo, DWDM). Esto puede causar distorsión de la señal e interferencias, afectando al rendimiento de los sistemas de comunicación óptica.
- 8] Dispersión de longitud de onda :Fenómeno en el que la velocidad de las ondas de luz que se propagan a través de fibras ópticas varía en función de la longitud de onda.