Hollow-core fibers as an enabler for energy-efficient next-generation optical networks

Single-Mode Fiber (SMF) has long been the standard physical medium for long-range optical communications. However, as demand for higher data rates and longer transmission distances grows, SMF is approaching its fundamental performance limits, prompting the search for alternative solutions. One promising solution is the use of Hollow-Core Fibers (HCF), which guide light through a vacuum or air-filled core rather than solid glass, resulting in significantly lower transmission losses. Although HCF technology has been studied for decades, only recently has a variant been developed with a loss coefficient much lower than that of SMF. This advancement enables optical networks to support higher traffic volumes, thanks to increased signal-to-noise ratio (SNR) levels on the links. Moreover, HCFs exhibit lower nonlinearities compared to SMFs, allowing for the deployment of optical amplifiers (OAs) with higher output power. This higher power not only boosts throughput but can also reduce the number of required amplifiers, creating a trade-off between individual OA power consumption and overall network efficiency. In this work, we present a simulation-based study that implements a greedy optimization algorithm for optimal OA placement, aiming to maximize average SNR while minimizing total power consumption from both OAs and optical transponders (TXPs). The simulations also account for varying HCF deployment budgets, assessing scenarios in which only a portion of the fiber links are upgraded to HCF. Across multiple network topologies of different sizes, our results demonstrate that HCF deployment can increase offered traffic by up to 167%, improve average SNR by 13 dB, reduce power consumption per Tbps by up to 61%, and lower the number of required OAs by up to 64%. These gains are further supported by a shift toward more energy-efficient TXPs. Overall, the findings highlight the significant potential of HCF technology to enhance both the capacity and energy efficiency of future optical networks.

La fibra a singolo modo (SMF) è da tempo il mezzo fisico standard per le comunicazioni ottiche a lunga distanza. Tuttavia, con l’aumento della domanda di velocità di trasmissione più elevate e di distanze maggiori, la SMF si sta avvicinando ai suoi limiti prestazionali fondamentali, rendendo necessaria la ricerca di soluzioni alternative. Una proposta promettente è rappresentata dalle fibre a nucleo cavo (HCF), che guidano la luce attraverso un nucleo vuoto o riempito d'aria invece che in vetro solido, riducendo così in modo significativo le perdite di trasmissione. Sebbene la tecnologia HCF sia studiata da decenni, solo di recente è stata sviluppata una variante con un coefficiente di perdita molto inferiore rispetto alla SMF. Questo progresso consente alle reti ottiche di supportare volumi di traffico più elevati, grazie all'aumento dei livelli di rapporto segnale-rumore (SNR) sui collegamenti. Inoltre, le HCF presentano minori effetti di non linearità rispetto alle SMF, permettendo così l’impiego di amplificatori ottici (OA) con potenze di uscita più elevate. Questa maggiore potenza non solo aumenta la capacità trasmissiva della rete, ma consente anche di ridurre il numero di amplificatori richiesti, creando un bilanciamento tra il consumo energetico dei singoli OA e l’efficienza complessiva della rete. In questo lavoro viene presentato uno studio basato su simulazioni che implementa un algoritmo greedy per l’ottimizzazione della posizione degli OA, con l'obiettivo di massimizzare il valore medio dell’SNR e al tempo stesso minimizzare il consumo energetico totale degli OA e dei transponder ottici (TXP). Le simulazioni considerano anche diversi scenari di budget per la distribuzione delle HCF, valutando configurazioni in cui solo una parte dei collegamenti in fibra viene aggiornata alla tecnologia HCF. I risultati ottenuti su più topologie di rete di diverse dimensioni dimostrano che l’introduzione delle HCF può aumentare il traffico offerto fino al 167%, migliorare l’SNR medio di 13 dB, ridurre il consumo energetico per Tbps fino al 61% e diminuire il numero di OA richiesti fino al 64%. Tali benefici sono ulteriormente supportati dall'adozione di TXP più efficienti dal punto di vista energetico. In conclusione, questi risultati evidenziano il grande potenziale della tecnologia HCF per migliorare sia la capacità che l’efficienza energetica delle future reti ottiche.