Desarrollos en tecnologías de fibra multifinales y de pocos modos para el mejoramiento de la capacidad

Fibras de poca monta (FMF)

En contraste con MCF, las fibras de poca frecuencia propagan un número limitado de modos espaciales (normalmente 2 a 10) dentro de un solo núcleo de mayor diámetro. Mediante el uso de múltiplo de división (MDM), cada modo puede llevar una corriente de datos independiente. Los FMF son compatibles con las técnicas de detección coherente y procesamiento de señales digitales (DSP), permitiendo que se aplique un múltiplo sin necesidad de una infraestructura de fibra completamente nueva.

Tanto las MCF como las FMF representan un cambio fundamental desde el paradigma de un solo canal hasta un enfoque de diversidad espacial. A menudo se consideran complementarias: las MCF se destacan en paralelo, enlaces de alta densidad (por ejemplo, interconexiones del centro de datos), mientras que las FMF son más adecuadas a la transmisión de largo plazo, donde un número moderado de modos se pueden multiplicar con DSP avanzado.

Novedades recientes en fibras multi-core

Los últimos cinco años han sido testigos de avances notables en el diseño, fabricación y demostraciones de sistemas de MCF. Los investigadores han apuntado a tres áreas principales: reducción de la multiforme, escalabilidad de fabricación y desarrollo de materiales y estructuras novedosas.

Reducción de crucificados a través del diseño básico

El cruce entre núcleos vecinos sigue siendo el más crítico métrica de rendimiento para los MCF. Varias estrategias han demostrado ser eficaces:

• Perfiles asistidos por el francés] — Deprimir el índice refractivo en una trinchera alrededor de cada núcleo reduce significativamente la superposición de campo evanescente. Los diseños recientes logran cruces por debajo de −40 dB después de 100 km de propagación para fibras de 125-μm de cierre con 7 a 19 núcleos.
• ]Monederos de núcleo heterogéneos — Al variar el espaciado de núcleo a núcleo, índice refractivo, o incluso el diámetro de núcleo a través de la fibra, se pueden evitar las condiciones de acoplamiento resonantes. Esta técnica ha permitido que los MCFs con hasta 37 núcleos de un diámetro estándar de revestimiento, con penalizaciones cruzadas suficientemente bajas para la transmisión de 100-Gbaud.
• Multi-ring core arrangements — Se ha demostrado que la ordenación de núcleos en anillos concéntricos con separación angular optimizada reduce el cruce y mantiene una buena densidad de embalaje espacial. Simulación y experimentos de grupos en Optica Express y

• Cladamiento de patas de color fundido] — La reducción del índice de revestimiento relativo al revestimiento de silica pura reduce la pérdida de fuga y permite que más núcleos se empaquen sin un aumento de la travesura.
• ]Hllow‐core multi-core fibers — Un concepto nuevo que utiliza un núcleo hueco rodeado por un revestimiento de banda antónica puede guiar la luz con una no-linearidad y latencia extremadamente baja. Combinar múltiples núcleos huecos en una sola fibra está en etapas de investigación tempranas, pero promete una alta capacidad para enlaces de centro de datos donde la latencia es crítica.
• Las fibras ópticas polímeros (POF) como MCFs — Para aplicaciones de corta duración, las fibras de polímero de núcleos múltiples ofrecen alternativas de bajo costo, doble tolerantes. demostraciones recientes en IEEE Photonics Technology Letters muestran POFs de 4 núcleos capaces de 10-Gb

Demostraciones del sistema y transmisiones de registros

Varios experimentos históricos han validado el potencial de los MCF para sistemas del mundo real:

• En 2023, NTT y Corning demostraron un MCF de 19 núcleos que soporta 1.2 Pbps sobre 2000 km utilizando multiplexación de división espacial con formatos de modulación avanzados.
• Una fibra de 37 núcleos de Toshiba alcanzó una capacidad agregada de 3,5 pbps en un entorno de laboratorio, aunque con un alcance más corto debido al aumento del crosstalk.
• Para aplicaciones de centros de datos, se han comercializado dispositivos de ventilador/fan-out de 7 núcleos, lo que permite la integración directa con transceptores existentes.

Avances en pocas tecnologías de fibra de modo

Pocas fibras de moho han visto también avances significativos, especialmente en el control de modos, diseño de multiplexer y compensación de DSP. El objetivo es realizar sistemas MDM que son tanto eficientes como compatibles con componentes de monomodo existentes.

Control de Modo y Diseño de Fibra

Un FMF ideal soporta un conjunto de modos ortogonales con acoplamiento mínimo y DMD bien controlado. Los avances recientes del diseño incluyen:

• ] núcleos de índices de gradúa — Los perfiles de índices refractivos parabólicos pueden equiparar las velocidades de grupo entre los modos de LP, reduciendo drásticamente DMD. Por ejemplo, un índice de grado FMF que soporta los modos LP01, LP11 y LP21 puede lograr DMD por debajo de 10 ps/km.
• FFs de núcleo de anillo] — Al configurar los modos de orden superior a las regiones anulares, los diseños de núcleos de anillo suprimen el acoplamiento del modo y simplifican el desmultiplexing. Este enfoque se ha utilizado para crear FFs con hasta 6 grupos de modos.
• Perfiles inversos parabólicos — Adaptar la forma de índice para minimizar el paso entre modos ha permitido que los valores DMD sean tan bajos como 2 ps/km para un FMF de 4 modos.

Múltiples y Demultiplexers

La combinación y separación eficientes de modos es un componente crítico de cualquier sistema MDM. Las innovaciones recientes incluyen:

• Linternas fotonicas — Estos dispositivos combinan adiabaticamente un paquete de fibras de monomodo en una sola guía de onda de pocos meses. Los diseños de linterna fotonica recientes logran <1 dB insertion loss and >20 dB ratio de extinción de modo para hasta 6 modos.
• ] Circuitos de onda de luz plano integrados (PLCs) — Utilizando plataformas de silica‐on-silicon o silicon‐nitride, los investigadores han fabricado acopladores direccionales que pueden excitar selectivamente modos de LP específicos. Un demultiplexer de 3 modos demostrado en
• Acopladores de grapado de espacio libre] — Para las configuraciones de laboratorio, la óptica de espacio libre utilizando moduladores de luz espacial o elementos ópticos difcivos puede generar patrones de modo arbitrarios. Estos siguen siendo, en su mayoría experimentales, pero han sido cruciales para probar nuevos diseños de FMF.

• Multiple‐input multiple‐output (MIMO) equalization] — algoritmos estándar MIMO‐DSP, similares a los utilizados en sistemas inalámbricos, pueden separar modos mixtos. demostraciones recientes utilizar 6×6 MIMO con modulación de 64‐QAM para transmitir 1 Tbps más de 400 km de FMF.
• Enfoques de aprendizaje de la maquinaria] — Se ha demostrado que las redes neuronales capacitadas para reconocer patrones de distorsión de modos mejoraron el rendimiento de MIMO‐DSP bajo deficiencias no lineales. Un documento de 2024 en Journal of Lightwave Technology reportó una mejora de 2 dB en Q-factor utilizando una red neuronual conversora.
• Seguimiento adaptivo — Condiciones de coacción de modo rápidamente variable (por ejemplo, debido al movimiento de fibra) requieren la igualación adaptativa. Nuevos algoritmos basados en cuadrados mínimos recursivos pueden rastrear cambios con tiempos de convergencia de microsegundos.

FMFs en los enlaces de largo a largo y centro de datos

Los investigadores han demostrado varias transmisiones de FMF de fisura récord:

• Se utilizó un FMF de 6 modos para alcanzar 1,4 pbps de más de 74,8 km utilizando MIMO 4D y 256-QAM.
• Para enlaces submarinos, se desarrolló un FMF de 8 modos con pérdida ultra-bajo (0.18 dB/km) que permitió 5 Tbps por modo sobre distancias transatlánticas en simulaciones.
• En entornos de centros de datos, se ha integrado un FMF de 2 modas (LP01 y LP11) con VCSEL de bajo coste para enlaces de alcance corto de 100-Gbps, reduciendo el número de fibras requeridas.

Impacto en la capacidad de red y en la perspectiva futura

El progreso combinado en las tecnologías de MCF y FMF está preparado para transformar las redes ópticas. Esta sección examina los beneficios de la capacidad para los diferentes segmentos de mercado y describe las principales direcciones de investigación para el próximo decenio.

Interconexión del Centro de Datos (CID)

Los enlaces actuales de DCI dependen de fibras paralelas de un solo movimiento, pero MCFs ofrecen un camino para reducir los recuentos de fibra mientras aumenta el ancho de banda agregado. Un MCF de 7 núcleos puede reemplazar 7 fibras separadas, simplificando la gestión de cables y el espacio de rack. Para enlaces de centro de datos intra-datos de unos cientos de metros, MCF con dispositivos de ventilador/fanación ya están siendo desplegados.

Sistemas de carga larga y submarino

Los sistemas de alta velocidad se benefician más del escalado de capacidad ofrecido por SDM. Los MCF con ultra-bajo crosstalk y baja pérdida (aproximando que de SMF estándar) son candidatos para cables submarinos de próxima generación. Un MCF de 19 núcleos puede aumentar la capacidad de un cable submarino por un factor de 5-10 sin aumentar el diámetro del cable.

Integración con infraestructura existente

Uno de los obstáculos más grandes para SDM es compatibilidad con retrocesos. MCFs requiere nuevos conectores, empalmes y equipos de prueba. Sin embargo, los recientes esfuerzos de estandarización de la MD International Telecommunication Union (ITU‐T) y la Asociación de Industrias de Telecomunicaciones (TIA) están definiendo geometría y especificaciones de rendimiento para MCFs de 7 núcleos y 19 núcleos.

Conceptos emergentes: SDM con AI y Quantum

En el futuro, se está aplicando inteligencia artificial para optimizar las asignaciones de núcleo y modo dinámicamente. Una red de MCF controlada por AI podría asignar núcleos a diferentes clases de tráfico (por ejemplo, baja-latencia vs. alta-mediación) en tiempo real. Además, se están explorando fibras de poca moda para la distribución de clave cuántica (QKD) porque diferentes modos pueden llevar señales cuánticas independientes sin interferencia.

Desafíos y preguntas de investigación abierta

Pese al impulso, siguen existiendo varios desafíos:

• Costo y rendimiento — Fabricación de MCFs con geometrías de núcleo precisas a bajo costo sigue siendo difícil. El rendimiento de fibras de 37 núcleos en particular permanece por debajo del 50%.
• ] Nolinear crosstalk — En MCFs, mezclado de cuatro ondas intercore puede degradar el rendimiento en altas potencias de lanzamiento. Se necesitan nuevos diseños de fibra con solapa reducida.
• La pérdida y ganancia dependientes del movimiento — En los FMF, los amplificadores ópticos a menudo tienen diferentes ganancias para diferentes modos. Los amplificadores calificados son un área activa de investigación.
• Integración de sistemas — Migrar de experimentos de prueba de contacto a sistemas de despliegue de campo requiere un embalaje robusto, estabilidad térmica y algoritmos de DSP de prueba de campo.

Conclusión

Multicore y pocas fibras de modo representan dos de los caminos más prometedores para aumentar dramáticamente la capacidad de las redes de comunicación óptica. Los recientes desarrollos en la reducción de multicolores, escalabilidad de fabricación, control de modos y DSP han acercado estas tecnologías a la realidad comercial. MCFs ya están siendo desplegados en selectos centros de datos y aplicaciones de corta duración, mientras que los FMF están ensayando campo para redes de larga distancia.