Exploitation of an innovative few-mode fiber for high-capacity advanced communication networks

The growing capacity demand for optical communication has motivated the development of fibers supporting the transmission of multiple propagating modes to enable Mode Division Multiplexing (MDM). Recently, a new fiber that supports 9 Linearly Polarized (LP) modes, corresponding to 15 spatial modes, with low Differential Mode Group Delay (DMGD) has been proposed in the literature and now it is available on the market. This innovative Few-Mode Fiber (FMF) can be exploited to increase the optical system's potential both in the case of medium-long distance transmissions and in short-range applications, even if the intermodal crosstalk strongly limits the performance, both in terms of the maximum reachable distance and the achievable capacity. The main goal of this work is to propose possible solutions to design high-capacity communication networks based on the exploitation of this innovative FMF. In particular, considering mode groups, we focused on Mode-Group Division Multiplexing (MGDM) to propose sustainable solutions in terms of complexity, which exceed the strong limits imposed by intermodal crosstalk. The presented solutions use special mode multiplexers/demultiplexers based on Multi-Plane Light Conversion (MPLC), already available on the market. For medium-long transmission systems, characterized by the use of complex modulation formats supported by coherent detection and the presence of network nodes, an analytical simulator has been used to assess the impact of linear and non-linear effects on performance in a MGDM network exploiting the considered FMF with 5 different mode groups. In particular, performance has been analyzed for different combinations of groups and modulation formats to achieve Tb/s capacity for each wavelength, even over hundreds of km, minimizing the effects of intermodal crosstalk introduced by fiber propagation and by the use of realistic mode multiplexers/demultiplexers. For short-range systems typical of intra and inter-datacenter connections, where low-cost and reduced complexity are required, the direct detection of simple modulation formats such as OOK and 4-PAM has been considered. Thanks to appropriate simulations in the Matlab environment, the limits and the potential of MGDM propagation have been systematically analyzed. In this context, the main penalties introduced by chromatic dispersion and intermodal crosstalk have been partially compensated by using a Decision Feedback Equalizer (DFE). Transmission capacity of 100 Gb/s can be reached over distances of 10-15 km, taking advantage of an appropriate combination of mode groups. Finally, wavelength interleaving between groups of modes has been proposed to further reduce the cost of optical components used in this particular application field.

La crescente richiesta di capacità nelle comunicazioni ottiche ha motivato lo sviluppo di fibre capaci di supportare la trasmissione di più modi di propagazione per abilitare la multiplazione a divisione di modo (MDM). Recentemente, una nuova fibra che supporta 9 modi Linearly Polarized (LP), corrispondenti a 15 modi spaziali, con basso Differential Mode Group Delay (DMGD) è stata proposta in letteratura e messa a disposizione sul mercato. Questa innovativa Few-Mode Fiber (FMF) può essere sfruttata per aumentare le potenzialità del sistema ottico sia nel caso di trasmissioni di media-lunga distanza e sia in applicazioni a corto raggio, anche se il crosstalk intermodale limita fortemente le prestazioni, sia a livello di massima distanza raggiunta che di capacità trasportata. Lo scopo principale di questo lavoro è quello di proporre possibili soluzioni implementative per progettare reti di comunicazione ad alta capacità, basate sull’utilizzo di questa innovativa FMF. In particolare, considerando gruppi di modi, ci si è concentrati sull’utilizzo della multiplazione a divisione di gruppo (MGDM) per proporre soluzioni sostenibili in termini di complessità, che superino i forti limiti imposti dal crosstalk intermodale. Le soluzioni presentate utilizzano particolari multiplatori/demultiplatori modali basati su Multi-Plane Light Conversion (MPLC), ormai disponibili sul mercato. Per le applicazioni in reti a media-lunga distanza, caratterizzate dall’utilizzo di formati di modulazione complessi supportati da rivelazione coerente e dall’attraversamento di nodi di rete, un simulatore analitico è stato impiegato per valutare l’impatto degli effetti lineari e non-lineari sulle prestazioni in una rete di tipo MGDM, che utilizzando la FMF considerata ha la possibilità di gestire 5 differenti gruppi di modi. In particolare, si sono analizzate le prestazioni per diverse combinazioni di gruppi e formati di modulazione, al fine di raggiungere capacità dell’ordine dei Tb/s per lunghezza d’onda, anche su centinaia di km, minimizzando gli effetti del crosstalk intermodale, sia introdotto dalla propagazione in fibra, sia dall’utilizzo di multiplatori/demultiplatori modali realistici. Per collegamenti a corto raggio tipici di connessioni intra e inter-datacenter, per cui il costo e la ridotta complessità sono mandatori, si è considerata la rivelazione diretta di formati di modulazione semplici quali OOK e 4-PAM. Grazie a opportune simulazioni in ambiente Matlab, sono stati analizzati sistematicamente i limiti e le potenzialità della propagazione MGDM nella fibra considerata. In questo contesto, le principali penalità introdotte dalla dispersione cromatica e dal crosstalk intermodale sono state parzialmente compensate dall’uso di un Decision Feedback Equalizer (DFE). Capacità di trasmissione pari a 100 Gb/s sono raggiungibili su distanze intorno a 10-15 km, sfruttando un’opportuna combinazione di gruppi modali. Infine, si è proposto di utilizzare l’interleaving in lunghezza d’onda tra i gruppi di modi per ridurre ulteriormente i costi dei componenti ottici impiegati in questo particolare ambito applicativo.