Studio per l'ottimizzazione di amplificatori ottici a semiconduttore (SOA)

2 Introduzione
smistamento. Per ora le funzioni di elaborazione dei segnali, come l’instradamento
e la commutazione, sono effettuate con sistemi optoelettronici, affidabili e di
grande capacita`, ma complessi e costosi. I dispositivi optoelettronici presentano
inoltre degli insormontabili limiti di velocita` che li rendono inutilizzabili in sistemi
con velocita` di cifra maggiore di 10 Gb/s.
In questo contesto di espansione della rete, il fenomeno che permettera` un
ulteriore sviluppo delle telecomunicazioni sara` l’introduzione di tecnologie com-
pletamente ottiche in aree metropolitane che permetteranno la realizzazione di
sistemi a oltre 100 Gb/s e porteranno al largo impiego di amplificatori ottici a
semiconduttore (”Semiconductor Optical Amplifier”, SOA).
I SOA infatti oltre ad essere economici ed integrabili possono essere utilizzati
in molteplici applicazioni:
• Amplificazione in linea sulle corte e medie distanze;
• amplificazione di potenza;
• pre-amplificazione davanti al ricevitore;
• applicazioni di commutazione ottica;
• applicazioni non lineari quali la conversione ottica della frequenza di un
segnale , la coniugazione ottica di fase, l’inversione dello spettro del segnale;
la demultiplazione ottica di segnali multiplati con la tecnica TDM (”Time
Division Multiplexing”).
La struttura di questi amplificatori e` del tutto simile a quella dei laser a
semiconduttore, ma con faccette trattate con strati di materiale antiriflettente
in modo da impedire la retroazione. Essi rappresentano una valida alternativa
Introduzione 3
agli EDFA in molte applicazioni e godono di proprieta` lineari e non lineari che li
rendono assai vantaggiosi.
Per essere impiegati nei futuri sistemi di telecomunicazione dovranno pero`
fornire maggiori prestazioni quali alto guadagno ottico, basso rumore e minima
dipendenza dalla polarizzazione del segnale incidente. Dallo studio, la carat-
terizzazione e lo sviluppo di questi dispositivi dipende il futuro delle nuove reti
fotoniche ed e` proprio in quest’ambito che si inserisce il lavoro svolto in questa
tesi.
La tesi e` organizzata come segue: viene prima illustrato un panorama gene-
rale sullo stato attuale delle reti fotoniche e sull’utilizzo che avranno i SOA per
l’amplificazione e l’ elaborazione dei segnali. Di seguito sono descritte le caratte-
ristiche fisiche, la struttura dei SOA e i parametri in base ai quali si puo` stabilire
la loro qualita`.
Vengono successivamente mostrati i risultati sperimentali ottenuti durante la
caratterizzazione di diversi SOA prodotti da Optospeed (OS), la metodologia della
misura ed un ”software”, sviluppato nell’ambito della preparazione della tesi,
che permette di rendere l’acquisizione dei dati altamente ripetibile e accurata.
I parametri in base ai quali sono stati studiati gli amplificatori ottici sono: la
corrente di alimentazione, la temperatura dell’ambiente circostante, la potenza,
la lunghezza d’onda e la polarizzazione del segnale incidente.
I risultati ottenuti sono analizzati in modo da evidenziare le diversita` che sor-
gono tra i diversi dispositivi al variare dei parametri strutturali e le condizioni
dell’ambiente circostante. Viene posta particolare attenzione nell’analisi della
reazione degli amplificatori alla polarizzazione dei segnali e sono discussi gli spet-
tri di ASE (”Amplified Spontaneous Emission”) che mostrano quale puo` essere
l’influenza dell’ assemblaggio di un dispositivo sulla qualita` finale del prodotto.
4 Introduzione
Infine viene illustrato uno studio volto alla progettazione di un nuovo amplifi-
catore ottico a semiconduttori con struttura a pozzi quantici. Esso rappresenta
un primo passo verso la realizzazione di un nuovo dispositivo con caratteristiche
migliori delle attuali.
Capitolo 1
Amplificatori Ottici e Reti
Fotoniche
Questo capitolo e` volto a fornire un panorama generale sullo stato attuale della
tecnologia ottica nei sistemi di telecomunicazione, sull’importanza nelle nuove reti
di un trattamento completamente ottico dei segnali e in particolare sul ruolo che
avranno gli amplificatori ottici a semiconduttore in quest’ambito.
1.1 Crescita del traffico dati
In questi ultimi anni il settore delle telecomunicazioni ha subito una rapida
evoluzione, cambiando profondamente la societa`. Accanto ai servizi di comu-
nicazione tradizionale (traffico telefonico) si sono affiancati altri servizi dovuti
all’aumento della velocita` computazionale e alla grande disponibilita` di computer
sul mercato. La domanda di capacita` di trasmissione dati e` aumentata esponen-
zialmente soprattutto con l’avvento della rete globale Internet e la possibilita` di
trasmissione non solo di dati di tipo testo, ma di immagini e in generale di servizi
5
6 1. Amplificatori Ottici e Reti Fotoniche
Fig. 1.1: Spettro di assorbimento di una fibra e lunghezze d’onda sfruttate per la trasmissione
ottica.
multimediali che integrano immagini in movimento, immagini statiche, testo e
suoni in un ambito interattivo.
Per rispondere all’esigenza di una sempre maggiore velocita` nella trasmissione
dei dati, non essendo possibile sfruttare solo la rete telefonica gia` esistente, si e`
sviluppata la tecnologia fotonica [1] [2]. Per il trasporto dell’informazione essa si
serve anziche´ di elettroni, di fasci ottici, ovvero di flussi di fotoni, che viaggiano
attraverso fibre ottiche realizzate in vetro, materiale che presenta un’attenuazione
bassissima a determinate lunghezze d’onda [3]. La figura 1.1 mostra il profilo
spettrale di una fibra ottica: i minimi di assorbimento raggiunti allo stato attuale
della tecnologia si hanno alle lunghezze d’onda di 1.3 mm e 1.55 µm e sono pari
a 0.5 dB/km e 0.2 dB/km rispettivamente .
L’impiego delle fibre ha portato ad un enorme incremento della capacita`
trasmissiva dei sistemi di comunicazione, grazie ad una banda di trasmissione
dell’ordine di 100 nm, equivalente a decine di THz. Al fine di sfruttare ap-
pieno una banda trasmissiva cos`ı grande, i sistemi di trasmissione piu` recenti
prevedono il trasporto simultaneo di molti canali su una stessa fibra, che puo`
1.1. Crescita del traffico dati 7
Fig. 1.2: Diagramma semplificato di una rete di telecomunicazione, divisa nei suoi diversi strati.
essere attuato mediante varie tecniche di multiplazione. Ad esempio, la tecnica
WDM (”Wavelength Division Multiplexing”) assegna a ciascun canale una diver-
sa lunghezza d’onda, fino ad occupare tutta la banda di frequenza disponibile in
fibra. La tecnica TDM (Time Division Multiplexing) invece esegue una multi-
plazione nel dominio del tempo, ponendo uno dopo l’altro su una stessa portante
ottica i bit relativi ai diversi canali [4].
1.1.1 Organizzazione della rete
Fin dall’inizio le reti di comunicazione sono state organizzate in diversi livelli,
per renderne piu` semplice la progettazione e per consentirne il potenziamento
graduale, dal momento che ogni livello e` indipendente dagli altri. Tali livelli svol-
gono diverse funzioni: il primo livello, detto di distribuzione, collega gli utenti alla
rete; il secondo, il livello di accesso, raccoglie i segnali e li invia al terzo, il livello
del trasporto, che rappresenta la diramazione principale della rete. Esso copre
tipicamente tutto un territorio nazionale; il suo compito e` quello di indirizzare
i flussi di dati a destinazione, attraversando se necessario i livelli del trasporto
di altre nazioni, connessi tra di loro mediante le autostrade informatiche. Uno
schema della struttura delle reti e` mostrato per chiarezza in fig. 1.2.
8 1. Amplificatori Ottici e Reti Fotoniche
La tecnologia fotonica, prima utilizzata solo per gli strati piu` ”alti” della
rete (lo strato del trasporto e autostrade informatiche), sta iniziando a penetrare
proprio in questi ultimi mesi anche gli strati di accesso e di distribuzione ed e`
proprio in quest’ambito che si prevede che gli amplificatori ottici a semiconduttore
avranno un ruolo essenziale.
Durante la propagazione attraverso le fibre, il segnale si degrada ed e` quindi
necessaria una riamplificazione e una rigenerazione. Fino alla fine degli anni ’80
i dispositivi installati a tale scopo sono stati dei ripetitori optoelettronici che
rigenerano l’intensita` ed eliminano le distorsioni del segnale trasformandolo in un
segnale elettrico e riconvertendolo successivamente in forma ottica. E’ evidente
che ripetitori di questo tipo rappresentano il motivo di rallentamento dei moderni
sistemi ottici, sia per le limitazioni imposte dall’elettronica ad alta velocita`, che
per quelle imposte dalla tecnologia ottica; dagli anni 90 si e` iniziato dunque
lo sviluppo di dispositivi detti ”completamente ottici” che sostituiranno quelli
optoelettronici in sistemi a 40 Gb/s.
1.2 Dispositivi completamente ottici
I dispositivi completamente ottici evitano il passaggio allo stato elettrico,
poiche´ trattano il segnale direttamente in forma ottica, comportando cos`ı grandi
vantaggi dal punto di vista dei costi, dal momento che un solo amplificatore e` in
grado di amplificare un pettine di lunghezze d’onda in sostituzione di un numero
considerevole di rigeneratori (pari al numero dei canali in transito).
I dispositivi ottici rispondono inoltre alle esigenze di flessibilita` della rete di
comunicazione, permettendo espansioni e miglioramenti futuri senza il bisogno di
intervenire sulla struttura fisica della linea. Essi inoltre presentano il vantaggio
1.2. Dispositivi completamente ottici 9
di essere trasparenti alle velocita` di trasmissione e ai diversi formati in cui puo`
essere modulato un segnale 1.
1.2.1 Amplificatori ottici EDFA
I dispositivi ottici tuttora piu` usati sono gli amplificatori ottici a fibra drogata
con erbio (EDFA: Erbium Doped Fiber Amplifier), introdotti alla fine degli anni
’80 per annullare le perdite accumulate dai segnali durante la propagazione, poiche´
l’attenuazione in fibra, per quanto ridotta, diventa non trascurabile su grandi
distanze.
Gli EDFA hanno permesso di migliorare le prestazioni di trasmissione in ter-
mini di distanza ricoperta dal segnale, consentendo di raggiungere tratte lunghe
centinaia di km tra due stadi di amplificazione successivi [5]. Gli EDFA sono
caratterizzati da basse perdite di accoppiamento, data la facilita` con cui si con-
nettono alle fibre della linea di trasmissione; presentano una bassa rumorosita`
e consentono di ottenere guadagni elevati, di 30-40 dB, anche se richiedono l’u-
so di un forte pompaggio ottico. Sono inoltre praticamente indipendenti dalla
polarizzazione del segnale in ingresso.
Lo sviluppo dei dispositivi ottici e` pero` tutt’altro che concluso, la loro stessa
presenza sulla rete impone infatti seri limiti sulla banda realmente utilizzabile
per la trasmissione dei segnali: ad esempio, la banda di guadagno degli EDFA,
centrata intorno alla lunghezza d’onda di 1550 nm, copre una larghezza spettrale
di 30 nm, equivalente a 4 THz. Una ulteriore restrizione e` rappresentata dai
filtri ottici usati per selezionare i canali alle varie frequenze. La loro selettivita` e
1 Per trasparenza si intende la capacita` di un dispositivo di elaborare indipendentemente
diversi canali, in ognuno dei quali il segnale puo` essere trasmesso con un diverso formato di
modulazione
10 1. Amplificatori Ottici e Reti Fotoniche
l’intervallo di accordabilita` sono parametri critici che limitano il massimo numero
dei segnali che possono essere trasmessi dalla fibra. L’interferenza tra i segnali a
varie frequenze (”crosstalk”), dovuta al non perfetto filtraggio, e` uno degli effetti
che maggiormente degradano le prestazioni dei sistemi [6]. L’unica soluzione per
eliminare tali effetti negativi e` quella di incrementare la spaziatura minima tra i
canali: in genere se si utilizzano onde portanti ottiche, la distanza tra due canali
deve essere 10 volte la banda occupata da un singolo canale.
Considerando tutti questi fattori si comprende come lo sfruttamento effettivo
della banda ottica, con la trasmissione multicanale nel dominio della frequenza, sia
limitato a circa il 5 % del totale. Questa enorme riduzione, dovuta essenzialmente
a fattori tecnologici, obbliga a gestire al meglio lo spazio rimanente disponibile;
di conseguenza ogni volta che si presenta una necessita` di intervenire sul segnale,
si deve cercare di farlo senza introdurre sprechi nella banda ottica. Durante la
propagazione dei segnali la fibra non solo attenua la loro intensita`, ma ne distorce
la forma a causa di una serie di fenomeni, sia dispersivi che non lineari. L’avvento
degli EDFA ha permesso di risolvere il problema dell’attenuazione subita dal
segnale, ma non quello della rigenerazione della sua forma; e` necessario quindi
eseguire questa funzione in altri modi.
1.3 Amplificatori ottici a semiconduttore
Gli amplificatori ottici a semiconduttore (semiconductor optical amplifiers,
SOA) sono dispositivi molto promettenti, che si prestano a svolgere molteplici
funzioni, da quella tradizionale di amplificatori di guadagno, a quelle di interrut-
tori ”switch” ottici, a quelle non lineari, tra cui, ad esempio, la conversione di
frequenza. Un SOA e` fondamentalmente un laser a semiconduttore le cui fac-
1.3. Amplificatori ottici a semiconduttore 11
Fig. 1.3: Struttura schematizzata di un SOA.
cette sono trattate in modo che il segnale ottico viaggi attraverso il dispositivo
una sola volta uscendo amplificato (fig. 1.3). La regione attiva e` costituita da un
lega quaternaria (InGaAsP) cresciuta su un substrato di fosfuro di indio (InP).
Variando le concentrazioni relative dei materiali si puo` scegliere di spostare la
regione di amplificazione dei segnali, generalmente larga dai 30 ai 70 nm, in un
intervallo di lunghezze d’onda compreso tra i 1000 e i 1700 nm.
Per impedire la retroazione e oscillazioni che possono innescare l’effetto laser,
la riflettivita` delle faccette di un SOA deve essere inferiore allo 0.01 % ; questo
si ottiene combinando contemporaneamente diverse tecniche [7].
La tecnica piu` comune consiste nell’evaporare strati di materiale antiriflettenti
sulle faccette, che possono essere tagliate inclinate rispetto alla guida d’onda di
qualche grado in modo che la luce venga riflessa fuori dalla cavita` ottica. Un’altra
tecnica, meno usata a causa della sua maggiore elaboratezza, e` quella di terminare
la guida d’onda prima di raggiungere le faccette, di conseguenza il modo ottico
si allarga rapidamente, venendo riflesso solo in parte.
I processi di fabbricazione dei SOA sono ben noti e riproducibili, essendo
sostanzialmente identici a quelli dei laser a semiconduttori: per questo e` attual-
mente possibile la produzione di SOA su larga scala .
12 1. Amplificatori Ottici e Reti Fotoniche
1.3.1 Parametri principali
I parametri principali che caratterizzano un SOA e un amplificatore ottico
sono [8]:
• Guadagno: e` definito come il rapporto tra l’intensita` del segnale in uscita e
quella in entrata nel dispositivo; questo parametro puo` essere variato a se-
conda delle applicazioni. Nei SOA si possono raggiungere valori di guadagno
superiori ai 30 dB anche se generalmente, a causa della natura intrinseca
dei semiconduttori e della guida d’onda non perfettamente simmetrica, esso
dipende dalla polarizzazione del segnale incidente a meno che non si sia
progettata una struttura ottimizzata in modo opportuno.
• Figura di rumore: e`’ un parametro molto importante che caratterizza la
bonta` di un dispositivo, poiche´ indica il rumore aggiunto al segnale in uscita
dall’amplificatore.
• Potenza di saturazione: e` definita come la potenza del segnale in uscita per
cui il guadagno a piccoli segnali e` ridotto di 3 dB; in alcune applicazioni
risulta essere il parametro piu` importante in un SOA. Questo parametro
infatti, da un’idea di quali potenze possano essere utilizzate in un sistema
multicanale senza che la saturazione indotta da un canale influenzi gli altri.
La potenza di saturazione di un amplificatore e` dunque fondamentale in
sistemi WDM.
I valori di questi parametri sono tra loro fortemente correlati e vanno scelti a
seconda delle diverse applicazioni, descritte nei prossimi paragrafi.
1.3. Amplificatori ottici a semiconduttore 13
1.3.2 Applicazioni lineari
In applicazioni in cui sia richiesta solo amplificazione lineare e non elaborazione
di segnale, ai SOA sono stati preferiti fino ad oggi gli EDFA, anche se questi ultimi
presentano guadagno per unita` di lunghezza molto piu` basso di quello dei SOA e
richiedono qualche metro di fibra per ottenere pochi dB di guadagno.
I SOA infatti, pur essendo caratterizzati da un guadagno ottico molto ele-
vato, non sono stati ritenuti adatti per essere impiegati negli strati ”alti” della
rete, perche´ presentano bassa potenza di saturazione, alta dipendenza dalla po-
larizzazione del segnale incidente ed eccessivo ”crosstalk” tra lunghezze d’onda.
Quest’ultimo problema e` causato da un troppo breve tempo di vita medio dei
portatori nei materiali semiconduttori e viene maggiormente accentuato quando
il SOA lavora in condizioni di saturazione, come generalmente accade.[8]
I dispositivi EDFA godono, al contrario, di proprieta` come potenza di satu-
razione elevata e tempo di vita dei portatori dell’ordine dei ms, che li rendono
virtualmente lineari; il processo di amplificazione e` quindi indipendente dalle
caratteristiche dell’EDFA ed in particolare dalla potenza istantanea del segnale
amplificato. Cio` consente la trasmissione di segnali in assenza di distorsione e di
”cross-talk” tra canali multiplati a divisione di lunghezza d’onda.
Altre caratteristiche fortemente limitanti per i SOA sono la dipendenza dalla
polarizzazione del segnale incidente e la loro rumorosita`. Mentre la dipenden-
za dalla polarizzazione puo` essere ridotta fortemente comprimendo o tendendo
opportunamente la regione attiva, il rapporto segnale-rumore, a parita` di am-
plificazione, e` destinato ad essere sempre inferiore a quello degli EDFA, a causa
delle notevoli perdite ottiche introdotte dall’accoppiamento chip-fibra e della forte
emissione spontanea che aggiunge al segnale amplificato fotoni di energia e fase
casuale.
14 1. Amplificatori Ottici e Reti Fotoniche
Nonostante i limiti descritti, i vantaggi riconosciuti ai SOA come amplificatori
in linea sono molteplici:
• compattezza e integrabilita`: un SOA e` un chip le cui dimensioni sono del-
l’ordine delle centinaia di µm, mentre gli EDFA sono dispositivi ben piu`
complessi poiche´ al loro interno contengono decine di metri di fibra droga-
ta, laser per il pompaggio ottico, isolatori e accoppiatori che rendono le loro
dimensioni complessive non inferiori a diverse decine di centimetri.
• economicita`: si prevede che l’aumento di produzione di SOA fara` crollare
il loro prezzo, rendendoli economicamente assai vantaggiosi rispetto a qual-
siasi altro tipo di amplificatore ottico. I processi di produzione disponibili
infatti permettono di fabbricare migliaia di chip su un singolo substrato; un
continuo miglioramento nelle tecniche di assemblaggio e la vasta disponi-
bilta` sul mercato portera` il prezzo finale di un SOA ad essere decine di volte
inferiore a quello di un EDFA.
• intervallo di applicazione: i SOA possono essere usati per amplificare segnali
in un intervallo di lunghezze d’onda ampio compreso tra i 1000 e i 1700 nm,
di particolare interesse e` la regione intorno ai 1300 nm dove la dispersione
cromatica e` minore e dove sono gli unici amplificatori ottici attualmente
disponibili (fig. 1.4).
• efficenza ottica: il consumo di energia elettrica e` molto basso rispetto alla
potenza emessa.
In conclusione, i SOA non costituiscono ancora una valida alternativa agli
EDFA, ne’ li potranno mai sostituire completamente per quanto riguarda sistemi
WDM lineari a lungo raggio, tipici, ad esempio, delle autostrade informatiche o
1.3. Amplificatori ottici a semiconduttore 15
Fig. 1.4: Possibili regioni di amplificazione di un SOA.
dei collegamenti intercontinentali; essi presentano, tuttavia, caratteristiche ideali
per l’amplificazione lineare dei segnali negli strati della rete di distribuzione e di
accesso.
E’ possibile inoltre utilizzare i SOA come amplificatori di potenza ponendoli
immediatamente dopo una sorgente laser in modo da aumentare notevolmente la
distanza di trasmissione [9, pag. 403]. Per queste applicazioni non e` necessario che
il SOA sia indipendente dalla polarizzazione, ne` che presenti un alto guadagno,
in quanto il parametro di maggiore interesse diventa il valore della potenza di
saturazione che per dispositivi appositamente studiati puo` superare i 20 dBm
[10]. Un ultimo utilizzo dei SOA per l’amplificazione lineare e` quello di pre-
amplificatori. Se si pone un SOA prima di un rivelatore la sensibilita` di ricezione
viene infatti aumentata poiche´ il rumore termico diventa trascurabile rispetto al
rumore ”shot”.