La sociedad actual genera cada vez más tráfico de datos de Internet para aplicaciones como video de ultra alta definición, servicios en la nube y conexiones móviles 5G. Este crecimiento exponencial continuo del tráfico de datos durante décadas se ha sustentado en las fibras ópticas. Sjoerd van der Heide exploró cómo se puede utilizar la dimensión espacial en las técnicas de transmisión óptica y digital en futuros enlaces de transmisión óptica de capacidad ultra alta.

Las fibras ópticas permiten la transmisión de baja pérdida de anchos de banda extremadamente altos a largas distancias. Por lo tanto, las fibras ópticas en la actualidad brindan casi toda la conectividad de datos, por ejemplo, en cables transoceánicos, dentro y entre centros de datos, entre torres de telefonía 5G y en fibra hasta el hogar. En consecuencia, se requieren técnicas novedosas para sostener este crecimiento en las próximas décadas.

Para respaldar el crecimiento del tráfico, los futuros sistemas de transmisión óptica deberán transmitir órdenes de magnitud más datos y, al mismo tiempo, permitir la transición hacia redes verdes de eficiencia energética. Los cables de fibra óptica transoceánicos modernos pueden transmitir decenas de Terabits por segundo por par de fibra. Estas velocidades de datos están habilitadas por una amplia paralelización a través de la multiplexación de dimensiones físicas.

Multiplexación espacial

Los sistemas ópticos actuales explotan la amplitud, la fase, la longitud de onda y la polarización de la luz láser. Sólo una dimensión física no se utiliza todavía:el espacio. Se requiere multiplexación espacial para admitir futuros enlaces de transmisión de Petabit por segundo por fibra óptica. La multiplexación por división espacial utiliza modos de, por ejemplo, fibras ópticas multimodo para modular los datos, aumentando las tasas de datos en un orden de magnitud o más.

Para aprovechar la multiplexación por división espacial, se requiere un procesamiento de señal digital (DSP) avanzado. La luz en las fibras multimodo experimenta efectos lineales y no lineales y el receptor ve una combinación codificada de las señales transmitidas. Por lo tanto, se requiere un filtrado de múltiples entradas y múltiples salidas (MIMO), similar al que se usa en Wi-Fi y 5G, para desentrañar la mezcla de modos en el canal de transmisión de fibra óptica.

En su Ph.D. En su tesis, Van der Heide desarrolló una cadena avanzada de procesamiento de señales digitales que incluye MIMO utilizando procesamiento fuera de línea en Python para enlaces de transmisión óptica monomodo y multimodo. La cadena de procesamiento de señales digitales se utilizó en experimentos de transmisión óptica monomodo utilizando un bucle de fibra recirculante.

La transmisión de 200 Gigabit por segundo por longitud de onda se logra a lo largo de 11 700 km de fibra utilizando formatos avanzados de modulación en cuatro dimensiones. La cadena de procesamiento de señales digitales también se usó para experimentos multimodo, transmitiendo 1 Terabit por segundo por longitud de onda a lo largo de 130 km sin amplificadores ópticos en línea, usando el novedoso receptor coherente Kramers-Kronig.

Probado durante más de 10 000 km

Además, Van der Heide diseñó y fabricó un multiplexor totalmente de fibra para interconectar fibras monomodo con nuevas fibras de núcleo acoplado de tres núcleos. Estos multiplexores luego se usaron para transmitir 172 Terabits por segundo a lo largo de 2040 km, lo que equivale a aproximadamente 10 millones de transmisiones de video de ultra alta definición.

Además del procesamiento avanzado de señales digitales, los dispositivos de fibra multimodo requieren nuevas herramientas de caracterización. Van der Heide desarrolló una configuración de holografía digital fuera del eje para caracterizar los haces ópticos en el espacio libre. Usando una cámara infrarroja y un haz de referencia para medir la amplitud y la fase de ambas polarizaciones de un haz óptico, se utilizó una caracterización completa de la fase y la amplitud de la luz para obtener métricas clave.

Finalmente, implementó un receptor óptico en tiempo real con procesamiento de señal digital avanzado en una GPU comercial estándar que utiliza CUDA. El receptor utiliza el novedoso esquema de detección coherente de Kramers-Kronig para recibir señales de hasta 5 Gigabits por segundo. El concepto se prueba utilizando un enlace de prueba de campo de 91 km de longitud en Tokio, Japón, y en un enlace de laboratorio sobre un enlace de fibra de transmisión en línea recta de 10 000 km.

Más de 50 publicaciones

Técnicas investigadas durante este Ph.D. Se espera que el proyecto se utilice en futuros enlaces de transmisión óptica de capacidad ultra alta. La investigación se llevó a cabo en el Laboratorio de Transmisión Óptica de Alta Capacidad de la Universidad Tecnológica de Eindhoven y culminó en más de 50 publicaciones, recibiendo dos premios de trabajo para estudiantes, un premio al mejor trabajo y un Premio al Proyecto de Innovación de Nokia Bell Labs.

Parte de la investigación se realizó en colaboración con socios internacionales durante dos pasantías de investigación en Nokia Bell Labs en Holmdel, Nueva Jersey, EE. UU., y en el Instituto Nacional de Tecnología de la Información y las Comunicaciones (NICT) en Tokio, Japón.

Sjoerd van der Heide defiende su tesis doctoral titulada Transmisión óptica multiplexada por división espacial habilitada por procesamiento digital avanzado de señales el 21 de abril. + Explora más

Primera transmisión del mundo de 1 Petabit/s utilizando una fibra óptica multimodo de un solo núcleo