In un'epoca definita dalla crescita dei dati esponenziali, la domanda di una maggiore capacità di trasmissione nelle reti ottiche non è mai stata più acuta. Mentre le fibre standard monomodali (SMF) hanno servito come spina dorsale delle comunicazioni globali per decenni, i loro limiti fondamentali della larghezza di banda hanno spinto una ricerca intensa nelle tecnologie di multiplexing (SDM) di divisione spaziale.

Cosa sono i fibre multi-Core e pochi-Mode?

Per apprezzare il significato dei recenti progressi, è essenziale comprendere i principi operativi fondamentali di MCF e FMF e come differiscono dalle fibre monomodali convenzionali.

Fibre multi-core (MCF)

Ogni core agisce come una guida d'onda separata, supportando una modalità singola (o occasionalmente qualche modo) e trasmettendo i dati attraverso diversi core in parallelo, MCFs moltiplica la capacità aggregata del numero di core, implementando efficacemente i canali di fibra paralleli in un unico filamento.

Fibre a pochi modi (FMF)

Contrariamente a MCF, le fibre a pochi modi propagano in modo efficiente un numero limitato di modalità spaziali (tipicamente 2 a 10) all'interno di un unico nucleo di diametro maggiore.

Sia MCF che FMF rappresentano un passaggio fondamentale dal paradigma a singolo canale ad un approccio di diversità spaziale, spesso considerati complementari: MCFs eccelle in parallelo, ad alta densità di collegamenti (ad esempio, interconnessioni del data center), mentre FMF è più adatto alla trasmissione a lungo raggio, dove un numero moderato di modalità può essere multiplexed con DSP avanzato.

Recenti sviluppi in fibre multi-core

Gli ultimi cinque anni hanno assistito a notevoli progressi nella progettazione, nella fabbricazione e nelle dimostrazioni di sistema MCF, mentre i ricercatori hanno mirato a tre aree principali: riduzione del crosstalk, scalabilità produttiva e sviluppo di nuovi materiali e strutture.

Riduzione del crosstalk attraverso il core design

Il crosstalk tra i core vicini rimane la metrica di performance più critica per i MCF.

  • Profili assistiti da un'inversione di trench intorno ad ogni nucleo riduce significativamente la sovrapposizione di campo evanescente. I recenti progetti raggiungono la crosstalk sotto −40 dB dopo 100 km di propagazione per le fibre da 125 μm‐cladding con 7 a 19 core.
  • Macchina eterogenea[ – Variando l'indice di rifrazione core-to-core, oppure anche il diametro del nucleo attraverso la fibra, si possono evitare le condizioni di accoppiamento risonanti. Questa tecnica ha permesso a MCF di ottenere fino a 37 core in un diametro di rivestimento standard, con sanzioni incrociate abbastanza basse per la trasmissione 100‐Gbaud.
  • Multi-ring core systems[ – L'organizzazione di core in anelli concentrici con separazione angolare ottimizzata è stata dimostrata per ridurre il crosstalk mantenendo una buona densità di imballaggio spaziale. Simulazioni e esperimenti da gruppi a OSA Optics Express e Nature Scientific Reports crosscore[

Produzione di innovazioni e compatibilità dei cavi

I primi prototipi MCF sono stati assemblati a mano in ambienti di laboratorio, ma i recenti sviluppi si sono concentrati sui processi di produzione scalabili e ripetibili.

  • Stack-and-draw[[ – Questo metodo, originariamente sviluppato per le fibre di cristallo fotonico, è stato raffinato per posizionare con precisione preforme multiple prima del disegno.
  • Soluzione a passo moderato doping[[] — Per ottenere le complesse variazioni di indice di rifrazione necessarie per core indice a trench-assistito o classificato, i ricercatori hanno sviluppato tecniche di doping utilizzando germanio, fosforo e fluoro. Questi materiali possono essere applicati in strati durante i passaggi di deposizione sol‐gel o vapor-fase.
  • Rivestimenti ad alta resistenza[[] – I MCF devono essere compatibili con la produzione di cavi standard, tra cui piegatura e installazione. Nuovi rivestimenti acrilati a doppio rivestimento e carbonio sono stati dimostrati che mantengono la bassa perdita di microbending anche per fibre 19-core con rivestimento da 125-μm.

Nuovi materiali e strutture composite

Oltre ai MCF basati su silice, i ricercatori stanno esplorando nuove piattaforme materiali:

  • Il rivestimento a doppi di farina[[] — L'abbassamento dell'indice di rivestimento rispetto al rivestimento in silice puro riduce la perdita di perdite e consente di impacchettare più core senza una maggiore traversata.
  • Le fibre multi-core a base di colore blu [] — Un concetto innovativo che utilizza un nucleo vuoto circondato da un rivestimento fotonico-bandgap può guidare la luce con una scarsa non linearità e latenza. Combinando più nuclei cavi in una singola fibra è nelle fasi di ricerca iniziali, ma promette una capacità molto elevata per i collegamenti data center dove la latenza è critica.
  • Le fibre ottiche polimeriche (POFs) come MCFs — Per applicazioni a breve raggio, le fibre polimero multi-core offrono alternative a basso costo, a flessione-tolleranti.

Dimostrazioni di sistema e trasmissione di record

Diversi esperimenti di riferimento hanno convalidato il potenziale dei MCF per i sistemi reali:

  • Nel 2023, NTT e Corning hanno dimostrato un MCF a 19 core che supportava 1.2 Pbps oltre 2000 km utilizzando multiplex di divisione spaziale con formati di modulazione avanzati.
  • Una fibra di 37-core di Toshiba ha raggiunto una capacità aggregata di 3,5 Pbps in un ambiente di laboratorio, anche se con una portata più breve a causa di una maggiore crosstalk.
  • Per le applicazioni del data center, i dispositivi a ventola/fan-out a 7 core sono stati commercializzati, consentendo l'integrazione diretta con i transceivers esistenti.

Avanzamenti in tecnologie di fibra di moda

Le fibre a pochi modi hanno anche visto progressi significativi, in particolare nel controllo delle modalità, nel design multisala e nella compensazione DSP, e hanno lo scopo di realizzare sistemi MDM che siano efficienti e compatibili con i componenti a singolo movimento esistenti.

Mode Control e progettazione fibra

Un FMF ideale supporta un insieme di modalità ortogonali con un accoppiamento minimo e DMD ben controllato.

  • Nuclei indici di rafrazionamento parabolica[] — I profili indici di rifrazione parabolici possono equalizzare le velocità di gruppo tra le modalità LP, riducendo drasticamente DMD. Ad esempio, un indice di grado FMF che supporta LP01, LP11 e LP21 le modalità possono raggiungere DMD sotto 10 ps/km.
  • Ring-core FMFs[[] — Con il limite delle modalità di ordine superiore alle regioni anulare, i disegni anelli-core soppongono l'accoppiamento della modalità e semplificano il demultiplexing.
  • Profili inversamente paraabolici[[] — Il dimensionamento della forma dell'indice per ridurre al minimo il passaggio tra modalità ha permesso ai valori DMD di raggiungere i valori di 2 ps/km per un FMF a 4-modi.

Multiplexers e Demultiplexers

Combinare e separare in modo efficiente le modalità è una componente critica di qualsiasi sistema MDM.

  • Lanterne fotoniche[ — Questi dispositivi accoppiano adiabaticamente un fascio di fibre monomodali in un'unica guida a onde a pochi modi.
  • Circuiti planari integrati (PLC)[] — Utilizzando piattaforme di silice-on-silicon o di silicio-nitride, i ricercatori hanno fabbricato accoppiatori direzionali che possono eccitare selettivamente specifiche modalità LP.
  • Accoppiatori di grattugiatura free-space[ — Per le configurazioni di laboratorio, l'ottica free-space utilizzando modulatori di luce spaziale o elementi ottici diffrattivi può generare modelli di modalità arbitrarie, che rimangono per lo più sperimentali ma sono stati cruciali per testare nuovi modelli FMF.

Elaborazione digitale dei segnali (DSP) per il recupero della modalità

Anche con fibre ben progettate, accoppiamento in modalità residua e DMD richiedono una equalizzazione basata su DSP.

  • Multiple‐input multiple-output (MIMO) equalizzazione[[ — Gli algoritmi standard MIMO‐DSP, simili a quelli utilizzati nei sistemi wireless, possono separare i modi misti.
  • Ai metodi di apprendimento della macchina[ — Le reti neurali addestrate a riconoscere i modelli di distorsione della modalità sono state dimostrate per migliorare le prestazioni di MIMO‐DSP sotto i difetti non lineari.
  • Il monitoraggio adattivo[ — Le condizioni di accoppiamento della modalità rapida (ad esempio, a causa del movimento della fibra) richiedono una equalizzazione adattativa.

I ricercatori hanno dimostrato diverse trasmissioni FMF con registrazione:

  • Un FMF a 6 modi è stato utilizzato per raggiungere 1.4 Pbps oltre 74.8 km utilizzando MIMO 4‐D e 256‐QAM.
  • Per i collegamenti sottomarini è stato sviluppato un FMF a 8 modi con perdita ultra-bassa (0.18 dB/km), che consente 5 Tbps per modalità su distanze transatlantiche nelle simulazioni.
  • Negli ambienti data center, un FMF a 2 modi (LP01 e LP11) è stato integrato con VCSEL a basso costo per i collegamenti a breve raggio 100-Gbps, riducendo il numero di fibre richieste.

Impatto sulla capacità di rete e su Outlook futuro

Il progresso combinato delle tecnologie MCF e FMF è in grado di trasformare la rete ottica, che esamina i vantaggi di capacità per i diversi segmenti di mercato e delinea le principali direzioni di ricerca per il prossimo decennio.

Interconnessioni del Data Center (DCI)

I collegamenti DCI attuali si basano su fibre monomodali parallele, ma i MCF offrono un percorso per ridurre i conti delle fibre aumentando la larghezza di banda aggregata. Un MCF a 7 core può sostituire 7 fibre separate, semplificando la gestione dei cavi e lo spazio rack. Per i collegamenti inter-dati di qualche centinaio di metri, i MCF con i dispositivi a ventola/fan-out sono già in fase di distribuzione.

Sistemi a lungo raggio e sottomarini

I sistemi dLT-L possono beneficiare di gran lunga della scalabilità offerta da SDM. MCF con crosstalk ultra-basso e bassa perdita (approssimando quello del SMF standard) sono candidati per i cavi sottomarini di nuova generazione.

Integrazione con le infrastrutture esistenti

I MCF richiedono nuovi connettori, giunzioni e apparecchiature di prova. Tuttavia, i recenti sforzi di standardizzazione da parte dell'International Telecommunication Union (ITU‐T) e dell'Associazione Industria delle Telecomunicazioni (TIA) stanno definendo le specifiche di geometria e prestazioni per i sistemi di comunicazione 7‐core e 19-core MCF.

Concetti emergenti: SDM con AI e Quantum

Un MCF controllato dall'IA potrebbe allocare i core a diverse classi di traffico (ad esempio, bassa latenza vs. alta-tracciabilità) in tempo reale. Inoltre, poche fibre di movimento vengono esplorate per la distribuzione di chiavi quantiche (QKD) perché diverse modalità possono trasportare segnali quantici indipendenti senza interferenze.

Sfide e domande di ricerca aperte

Nonostante il momento, rimangono diverse sfide:

  • Costo e rendimento[[] — Produzione di MCF con geometrie di nucleo precise a basso costo è ancora difficile.
  • Non lineare crosstalk[[ — In MCFs, la miscelazione a quattro onde intercore può degradare le prestazioni ad alte potenze di lancio.
  • Perdita e guadagno dipendente dal mode[ – In FMF, gli amplificatori ottici hanno spesso diversi guadagni per modi diversi. Gli amplificatori equalizzati Gain sono un'area attiva di ricerca.
  • Integrazione del sistema[[] — Migrare da esperimenti di proof-of-concept a sistemi esplosivi orientabili sul campo richiede un imballaggio robusto, stabilità termica e algoritmi DSP testati sul campo.

Conclusioni

I nuovi sviluppi nella riduzione dei crosstalk, nella scalabilità produttiva, nel controllo delle modalità e nel DSP hanno avvicinato queste tecnologie alla realtà commerciale. I MCF sono già in fase di implementazione in applicazioni di data center e short-reach, mentre i FMF stanno subendo prove sul campo per le reti a lungo raggio.