Caratterizzazione e compensazione degli effetti di dispersione cromatica in sottosistemi OTDM ad altissima capacità

Introduzione Pag.7  
diverse componenti spettrali dell’impulso si propagano con velocità differenti lungo 
la fibra (GVD - Group Velocity Dispersion). Esso può essere causa di un notevole 
allargamento, nel tempo, del segnale in ingresso. Il secondo fenomeno considerato è 
la birifrangenza modale della fibra. In relazione alle caratteristiche della fibra, gli 
indici di rifrazione associati a componenti di segnale polarizzati ortogonalmente 
possono essere differenti, inducendo ancora una differenza nelle relative velocità di 
gruppo. La birifrangenza modale è causata da diversi fattori quali le assimetrie 
geometriche, stress, tensioni laterali, curvature o torsioni. Il fenomeno è noto come 
dispersione modale di polarizzazione o PMD (Polarization Mode Dispersion). La 
birifrangenza della fibra, quindi, può generare nuove distorsioni del segnale 
propagante che si traducono ancora in un allargamento dell’impulso.  
Nel caso di intensi campi elettromagnetici, la risposta del mezzo alla luce diventa 
non lineare. Il fenomeno di SPM (Self-Phase Modulation) ne è sicuramente una 
dimostrazione evidente. Esso è conseguenza della dipendenza dell’indice di 
rifrazione dalla potenza del segnale propagante in fibra ed è causa di un allargamento 
dello spettro dell’impulso e talvolta di profonde distorsioni; analogo al SPM è il 
XPM (Cross-Phase Modulation) che ha luogo quando due o più canali a diversa 
lunghezza d’onda portante sono trasmessi contemporaneamente in fibra. Il FWM 
(Four-Wave Mixing), invece, interessa la generazione di nuove componenti 
frequenziali. Mentre il SPM e il XPM generano solo una rotazione di fase su un 
segnale già presente, il FWM genera potenza anche su bande frequenziali che 
inizialmente non erano occupate da alcun segnale. 
 
Le prime misure realizzate sugli EDFA sono finalizzate a capire se il contributo di 
nonlinearità nella propagazione dell’impulso nell’amplificatore possa essere 
trascurato; utilizzando un campionatore ottico a larga banda in grado di rilevare 
eventuali distorsioni dell’impulso dovuto alle nonlinearità, è possibile osservare che, 
effettivamente, fenomeni non lineari come il SPM o il XPM sono poco evidenti. 
Tuttavia, successivamente, con ulteriori ed opportune misure, si è riscontrato un 
Introduzione Pag.8  
importante contributo di FWM, da cui si deduce l’importanza della nonlinearità 
anche nel caso sotto esame. 
 
 
La misura del coefficiente di dispersione cromatica nel caso di EDFA è stata 
realizzata utilizzando il “phase-shift method” che ha consentito una stima rapida e 
accurata. Si è potuto osservare che il contributo di dispersione dei pochi metri di 
fibra dell’amplificatore non è affatto irrilevante nel caso di impulsi ultracorti. La 
misura è stata realizzata anche su una sorgente mode-locked di impulsi interamente 
realizzata in fibra a mantenimento di polarizzazione o fibra PM (Polarization 
Maintaining fiber) caratterizzata da un coefficiente di dispersione più basso. 
E’ già stato anticipato che il FWM è l’effetto non lineare più visibile nell’EDFA. Per 
questo motivo la tecnica di misura utilizzata è basata proprio su questo fenomeno. 
Inizialmente si è pensato che anche tecniche basate sulla modulation instability 
potessero essere adeguate al tipo di problema sotto esame, essendo questo un 
fenomeno piuttosto simile al FWM; perciò si è tentato di realizzare la misura 
automatizzandola, ma con scarsi risultati. 
Infine le misure di PMD sono state realizzate utilizzando un polarimetro in grado di 
stimarne il valore in funzione della lunghezza d’onda. È necessario ricordare che nel 
caso di PMD si trattano grandezze statistiche, quindi il valore ritenuto valido è quello 
medio tra le misure effettuate. 
 
È stata realizzata una completa caratterizzazione per l’EDFA al fine di compensare 
dove possibile gli effetti negativi della fibra o di contribuire alla progettazione di 
sistemi ad alto bit-rate. 
 
 9 
  
Capitolo 1  
Sottosistemi OTDM. 
1.1 Il sistema OTDM. 
In questi ultimi anni, la necessità di soddisfare la domanda crescente di sistemi ad 
alta capacità per le trasmissioni ottiche ha rinnovato l’interesse per l’OTDM (Optical 
Time Division Multiplexing). Esso è stato proposto alla fine degli anni Ottanta per 
superare i limiti di bit-rate del sistema di trasmissione elettrico TDM (Time Division 
Multiplexing). In effetti, la trasmissione OTDM può raggiungere velocità molto 
elevate. Il sistema oggetto di questa tesi, ad esempio, è caratterizzato da un bit-rate di 
160 Gbit/s. 
Nei sistemi OTDM si usa un’unica banda di frequenza per più utenti, impiegando 
brevi intervalli di tempo in ognuno di quali un solo utente può trasmettere o ricevere. 
Essi sono raggruppati in trame o frame.  
In Figura 1-1 è mostrato un esempio di trasmissione OTDM: 
 
Capitolo1. Amplificatori ottici e sorgenti di impulsi laser. Pag.10  
 
Figura 1-1 Schema di un sistema di trasmissione OTDM. 
 
 
La sorgente è divisa su più rami di numero pari a quello dei canali del sistema che, 
ad esempio, in una trasmissione a 160 Gbit/s sono tipicamente sedici o quattro, a 
seconda del tipo di sorgente (10 Gbit/s nel primo caso, 40 Gbit/s nel secondo); 
quindi, ciascun ramo è modulato, opportunamente ritardato e nuovamente unito agli 
altri per la trasmissione. Lungo la tratta il segnale si deteriora. Per questo motivo è 
necessario introdurre dei sistemi con funzione di rigeneratori. In particolare, essi 
risagomano il segnale, lo riallineano nel tempo per poi amplificarlo. Infine, il 
ricevitore raccoglie il segnale così trasmesso ed opera un’opportuna demodulazione.  
L’intervallo di tempo dedicato a ciascun canale è molto breve e dell’ordine di 
qualche picosecondo, perciò, per ottenere un corretto funzionamento ed evitare 
problemi di cross-talk dovuto ad interferenza tra impulsi adiacenti, è stato necessario 
realizzare opportunamente sistemi per generare e trasmettere impulsi ultra corti. 
In questa tesi sono oggetto di studio alcuni dei sottosistemi utilizzati per la 
realizzazione  della trasmissione OTDM. In particolare, si studiano gli effetti lineari 
e non lineari negli EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier), per verificare se anche 
questi possono essere causa di eventuali distorsioni dell’impulso propagato in 
10Gb/s 
pulsed 
source 
10Gb/s 
electro-optical
modulation 
10Gb/s 
electro-optical 
modulation 
10Gb/s 
electro-optical
modulation 
10Gb/s data 
10Gb/s data 
Delay Line
T
Delay Line
NxT 
Transmission 
span
Nx10Gb/s
OTDM 
DEMUX 
Nx10:10
RX
RX
RX
Pre-Scaled clock
recovery 
System Nx10:10 
N
optical 
channels  
@  10 Gb/s 
10Gb/s data 
Nx10Gb/s
Nx10Gb/s
clock 
Nx10Gb/s
Channell In
@10 Gb/s 
Channell Out
@10Gb/s 
Add/Drop
Transmission 
span 
Nx10 Gb/s
Clock Recovery
Nx10 Gb/s
3R 
Regenerator
Capitolo1. Amplificatori ottici e sorgenti di impulsi laser. Pag.11  
trasmissioni ad alto bit-rate. Inoltre, si affronta lo studio degli effetti di dispersione 
cromatica in una sorgente laser mode-locked al fine di ottimizzarne le prestazioni.    
 
1.2 Amplificatori ottici. 
Gli amplificatori ottici sono un elemento indispensabile nei sistemi di trasmissione in 
fibra ottica. 
I parametri che caratterizzano un amplificatore ottico possono essere riassunti in: 
 ξ  Banda: intervallo di frequenze per cui il guadagno è contenuto in 3 dB 
rispetto al valore massimo. Nel caso di frequenze ottiche, è indicata in 
manometri [nm].  
 ξ  Guadagno: rapporto tra la potenza di uscita e quella in ingresso, normalmente 
espresso in dB; in generale, dipende dalla lunghezza d’onda e dalla potenza di 
ingresso. 
 ξ  Potenza di saturazione: è definita sulla potenza di uscita. Se la potenza di 
ingresso aumenta, il guadagno diminuisce rapidamente; la potenza di 
saturazione è la potenza emessa dal dispositivo quando il guadagno 
diminuisce di 3 dB. 
 ξ  Cifra di rumore: è il rapporto tra il rapporto segnale-rumore SNR (Signal-to-
Noise Ratio) di ingresso e quello di uscita; determina il deterioramento del 
rapporto segnale-rumore SNR indotto da un dispositivo attivo.  
 ξ  
1.2.1  Principi fondamentali dell’amplificazione ottica. 
Il principio fondamentale dell’amplificazione ottica è la fluorescenza. 
Se illuminato, un mezzo fluorescente è in grado di produrre un’emissione di diverso 
colore di quello dell’onda incidente che prende il nome di pompa. 
Capitolo1. Amplificatori ottici e sorgenti di impulsi laser. Pag.12  
Per illustrare questi fenomeni si introduce il concetto di livelli di energia E
i
 e la 
transizione tra loro. 
 
a) assorbimento b) emissione stimolata 
hν
21
hν
21
hν
21
hν
21
E
2 2
 
E
1
E
1
 
 
Figura 1-2 Illustrazione dei fenomeni di assorbimento (a) ed emissione stimolata (b) in un 
sistema a due livelli. 
 
Per semplicità, si supponga che un mezzo sia caratterizzato da due possibili livelli 
energetici E
1
 ed E
2
 con 
21
EE   . Il livello energetico E
1
 è definito stato fondamentale 
mentre E
2
 è quello eccitato. 
Si supponga che l’onda elettromagnetica incidente abbia energia pari a: 
2121
 ΞhE    
dove h [Joule s] è la costante di Plank e 
21
Ξ è la frequenza d’onda per cui: 
1221
EEE      
In questo caso, la radiazione incidente può essere assorbita, ossia può trasferire la sua 
energia ad un fotone dello stato fondamentale, promovendolo allo stato eccitato. In 
maniera analoga, se l’onda incidente trova lo stato eccitato già popolato, può 
provocare l’emissione di una radiazione con caratteristiche analoghe a quella di 
ingresso. Il fenomeno descritto è definito emissione stimolata ed è schematizzato in 
Figura 1-2 b). 
Nel caso in cui le cariche eccitate non siano stimolate da nessuna radiazione esterna, 
dopo un tempo pari a quello di vita medio caratteristico del mezzo, esse decadono 
spontaneamente provocando un’emissione con direzione e fase casuale. In questo 
caso si ha emissione spontanea (Figura 1-3 a). 
Capitolo1. Amplificatori ottici e sorgenti di impulsi laser. Pag.13  
 
a) emissione spontanea
b) decadimento non radiativo 
hν
21
 
E
2
 
E
1
 
E
2
 
E
1
 
 
Figura 1-3 Illustrazione dei fenomeni di emissione spontanea (a) e decadimento non radiativo 
(b) in un sistema a due livelli. 
 
Infine, una carica eccitata può decadere spontaneamente senza produrre alcuna 
emissione elettromagnetica, ma trasformando la sua energia in fonone o vibrazioni 
reticolari. In questo caso il fenomeno è detto decadimento non radiativo (Figura 1-3 
b). 
 
1.2.2  Tipi di amplificatori ottici. 
 
Gli amplificatori sono classificati in base alla tecnologia che li caratterizza, che può 
essere in fibra o in semiconduttore. 
Un amplificatore in fibra amplifica il segnale ottico che si propaga sfruttando 
l’emissione stimolata di ioni eccitati otticamente nel core. Il principio di 
funzionamento è analogo a quello del laser anche se l’amplificatore in fibra non 
richiede di una cavità oscillante.  
L’amplificatore ottico in fibra sicuramente più utilizzato è l’EDFA che combina ad 
una buona efficienza un basso rumore introdotto sul segnale. 
Un amplificatore a semiconduttore SOA (Semiconductor Optical Amplifier) sfrutta 
lo stesso principio di funzionamento di un diodo laser in cui si eliminano le estremità 
riflettenti. L’inversione di popolazione si ottiene iniettando direttamente una corrente 
nella struttura. 
Capitolo1. Amplificatori ottici e sorgenti di impulsi laser. Pag.14  
Proprio per la differenza delle tecnologie utilizzate, l’EDFA è ideale per sistemi in 
fibra, mentre il SOA è impiegato in quelli che utilizzano strutture ottiche monolitiche 
integrate. 
Naturalmente i sistemi di pompaggio sono differenti. Nel caso dell’EDFA, un 
segnale ottico generato da un diodo laser è utilizzato come pompa per la fibra 
drogata nell’amplificatore. La luce del laser è trasferita nella fibra attiva mediante un 
accoppiatore. In seguito, la radiazione di pompa è eliminata mediante un filtraggio 
ottico in uscita del mezzo attivo. Nel caso del SOA la corrente di alimentazione è 
utilizzata da pompa e la struttura è molto semplificata. 
La banda di amplificazione per gli EDFA è compresa tra 1530-1560 nm ossia in 
corrispondenza della terza finestra per le comunicazioni ottiche; nel caso del SOA si 
ha una maggiore flessibilità. 
Il guadagno degli EDFA può essere di circa 30 dB, superiore di quello dei SOA che 
non supera mai i 20 dB; anche il livello di potenza di uscita è superiore negli EDFA 
in cui si possono ottenere anche 33 dBm, contro i 15 dBm che al massimo si possono 
ottenere nel caso dei SOA. 
Il comportamento dei due tipi di amplificatore in funzione dello stato di 
polarizzazione è piuttosto differente: se essa non sembra interferire nel guadagno nel 
caso dell’EDFA, questo non è vero nel caso del SOA. Infatti, i modi TE, il cui campo 
è parallelo alla superficie della guida d’onda, sono amplificati maggiormente dei 
modi TM. 
Entrambi i dispositivi generano rumore dovuto all’emissione spontanea amplificata, 
ed in entrambi i casi è necessario evitare che si inneschino auto-oscillazioni. Nel caso 
dell’EDFA basterà introdurre degli isolatori agli estremi della fibra drogata; per il 
SOA è necessario trattare opportunamente le superfici estreme della regione attiva 
affinché siano in pratica anti-riflettenti. 
Un’ulteriore differenza tra i due tipi di dispositivi risiede nel tempo di risposta che 
risulta essere legato ai tempi che le cariche impiegano a realizzare il trasferimento 
dallo stato eccitato a quello fondamentale e viceversa; nel caso dell’EDFA può 
Capitolo1. Amplificatori ottici e sorgenti di impulsi laser. Pag.15  
essere anche dell’ordine di qualche centinaio di millisecondi, mentre nel caso del 
SOA è solo di qualche centinaio di picosecondi. Nel caso in cui questi amplificatori 
sono utilizzati in saturazione, ad esempio, in sistemi multicanale, gli EDFA, non 
essendo in grado di seguire le variazioni di segnale per frequenze superiori al Khz, 
amplificano solo il livello medio di potenza e sono trasparenti al bit. Invece, il SOA 
riesce a seguire anche variazioni del segnale dell’ordine di qualche GHz; questo può 
introdurre interferenza tra canali a diversa lunghezza d’onda quando essi siano 
amplificati dal medesimo SOA funzionante in condizioni di saturazione. 
 
1.2.3  Amplificatori ottici in fibra drogata con Erbio (EDFA). 
Drogando la fibra ottica con Erbio (Er
3+
), il mezzo assume proprietà tali da renderlo 
idoneo all’amplificazione di segnali ottici intorno a 1550 nm. 
La struttura energetica, schematizzabile in tre livelli, è mostrata in Figura 1-4: 
 
decadimento 
non radiativo
segnale 
amplificato 
 
ASE
hν
21
E
2
 
E
1
 
hν
31
 
E
3
 
 
Figura 1-4 Descrizione del principio di amplificazione ottica nell’EDFA. 
 
Una radiazione (pompa) alla frequenza 
31
Ξ eccita le cariche che si trasferiscono dallo 
stato fondamentale al livello energetico E
3
. Dopo un certo intervallo di tempo 
comunque trascurabile rispetto alla dinamica dell’intero fenomeno, gli ioni decadono 
in modo non radiativo portandosi allo stato metastabile E
2
. In questo modo, cedono 
parte della loro energia al reticolo vetroso e si realizzata un’inversione di 
Capitolo1. Amplificatori ottici e sorgenti di impulsi laser. Pag.16  
popolazione: sul livello metastabile si ha un numero di cariche superiore a quello 
nello stato fondamentale, contrariamente a quanto previsto dalla condizione di 
equilibrio. Il mezzo attivo è in possesso dell’energia necessaria per l’amplificazione, 
perciò, se una radiazione di lunghezza d’onda compresa nello spettro di emissione 
dell’Erbio si propaga in fibra, questa stimola il decadimento degli ioni dallo stato 
metastabile a quello fondamentale, provocando l’emissione di fotoni che si 
propagano nella stessa direzione e fase del segnale incidente, aumentandone la 
potenza. Contemporaneamente altre cariche possono decadere emettendo fotoni con 
direzione e fase casuale in tutta la banda di emissione. Una parte di questi può 
propagarsi in fibra, sottraendo potenza al segnale propagante e generando una 
radiazione denominata emissione spontanea amplificata ASE (Amplified 
Spontaneous Emission).  
Dal punto di vista fisico la discretizzazione delle energie perde significato; il 
problema è trattato mediante bande continue di energia in cui i fenomeni trattati sono 
considerati come eventi casuali. La probabilità che si verifichi un assorbimento o 
un’emissione di un fotone è definita sezione d’urto (cross section) e dipende dal tipo 
di fibra utilizzato.   
 
1.2.4  Modello matematico. 
La trattazione dei fenomeni coinvolti nel processo di propagazione nell’EDFA è 
piuttosto complessa. In questa sede è introdotto il modello semplificato approfondito  
in [2]. Esso si basa sulle seguenti ipotesi: 
 ξ  Sistema a due livelli energetici: il terzo livello, introdotto nel precedente 
paragrafo, è unito al livello metastabile, considerandolo ininfluente per il 
processo di amplificazione. Questa approssimazione è ragionevole in quanto 
il tempo di vita medio, sul terzo livello τ
3
 è di gran lunga inferiore al tempo 
di vita medio sul livello metastabile τ
2
.