Componenti delle reti ottiche

Corso di Reti di
Telecomunicazione
Componenti delle reti ottiche
Componenti delle reti ottiche (1)

Componenti delle reti ottiche







Accoppiatori
Circolatori e isolatori
Multiplexer e filtri
Amplificatori ottici
Sorgenti e rilevatori
Commutatori
Convertitori di lunghezza d’onda
Componenti delle reti ottiche (2)







Accoppiatori: combinano e dividono segnali
Filtri e multiplexer: mux e demux diversi
canali WDM
Amplificatori ottici: compensano le perdite
dei collegamenti
Laser a semiconduttore: sorgenti più usate
in sistemi di TLC ottici
Fotorilevatori: convertono il segnale da
ottico a elettronico
Commutatori: switching di segnali ottici
Convertitori di lunghezza d’onda:
convertono la lunghezza d’onda di un canale
Componenti delle reti ottiche

Componenti delle reti ottiche







Accoppiatori
Circolatori e isolatori
Multiplexer e filtri
Amplificatori ottici
Sorgenti e rilevatori
Commutatori
Convertitori di lunghezza d’onda
Accoppiatori (1)

Accoppiatore direzionale


Usato per combinare e separare segnali
Accoppiatore 2 x 2: 2 ingressi, 2 uscite




2 fibre fuse, guide dielettriche affiancate
Ingresso 1: prende una frazione α della potenza e la
manda all’uscita 1, il resto all’uscita 2
Ingresso 2: prende una frazione (1 – α) della potenza e
la manda all’uscita 1, il resto all’uscita 2
α rapporto di accoppiamento
Accoppiatori (2)

Accoppiatori selettivi in frequenza


Accoppiatori indipendenti dalla frequenza


α non dipende dalla lunghezza d’onda
Accoppiatore a 3 dB


α dipende dalla lunghezza d’onda
Divide equamente la potenza nelle due uscite
n x n star coupler



Generalizzazione dell’accoppiatore a 3 dB
n ingressi, n uscite
La potenza da ogni ingresso è suddivisa tra tutte le
uscite
Accoppiatori (3)

n x n star coupler


Interconnessione di accoppiatori a 3 dB
Utile per combinare più segnali e fare il
broadcast su tutte le uscite
Accoppiatori (4)

Altre applicazioni





Monitoraggio del flusso dati
 Taps, α = 0.90 - 0.95
Elemento base per modulatori, commutatori, Mach
Zehnder
Combinazione / separazione di segnali a 1550 nm e
1310 nm in un’unica fibra senza perdite
Combinazione di segnali a 1550 nm e pompe per EDFA
a 980 o 1480 nm
Altri parametri

Excess loss (es. 0.2 dB), PDL, dipendenza di α dal
processo di fabbricazione e dalla frequenza
Accoppiatori (5)

Principio di funzionamento




Caso particolare: guide uguali
Guide affiancate, si entra in una guida e la luce si
accoppia nell’altra
Trasferimento completo nella seconda guida, quindi
di nuovo nella prima
 Andamento periodico
Teoria dei modi accoppiati
 Eo1 ( f )   jL  cos L

  e 
 j sin L
 Eo 2 ( f ) 
j sin L  Ei1 ( f ) 


cos L  Ei 2 ( f ) 
Accoppiatori (6)


β costante di propagazione della guida
κ coefficiente di accoppiamento dipende da





Larghezza delle guide
Distanza tra le guide
Salto d’indice che forma le guide
Lunghezza d’onda di lavoro
Utilizzo come singola porta

Funzione di trasferimento in potenza
2

T
(
f
)
cos
L 
 11


   2 
 sin L 
T
(
f
)
 12
 

Accoppiatori (7)

Accoppiatore a 3 dB
L  (2m  1) / 4


Equipartizione della potenza in ingresso
Sfasamento di 90° tra i due rami


Si vede dalla funzione di trasferimento per le
ampiezze
Fondamentale per il funzionamento
dell’interferometro Mach-Zehnder
Componenti delle reti ottiche

Componenti delle reti ottiche







Accoppiatori
Circolatori e isolatori
Multiplexer e filtri
Amplificatori ottici
Sorgenti e rilevatori
Commutatori
Convertitori di lunghezza d’onda
Circolatori e isolatori (1)

Dispositivi non reciproci


Comportamento diverso per propagazione nella stessa
direzione ma con verso opposto
Isolatore


Permette la trasmissione solo in una direzione
Uso all’uscita di laser e EDFA



Perdite di inserzione (1 dB), più basse possibile
Isolamento (40 - 50 dB), più alto possibile
Circolatore



Simile all’isolatore, ma multiporta
Segnali in ingresso a una porta escono dalla successiva
Componenti base dei filtri add-drop
Circolatori e isolatori (2)
Circolatori a 3 e
4 porte

Stato di polarizzazione (SOP)


Orientazione del campo elettrico nel piano
ortogonale alla direzione di propagazione
Scomposizione nelle due polarizzazioni ortogonali
supportate dalla fibra
 Modi orizzontali e verticali
Circolatori e isolatori (3)

Principio di funzionamento




Da sinistra a destra
Segnale passa attraverso il primo polarizzatore
Segnale attraverso un rotatore di Faraday
 Dispositivo non reciproco, rotazione di 45° della
polarizzazione indipendente dal verso
Secondo polarizzatore inclinato di 45°
 Trasmissione totale (idealmente)
Circolatori e isolatori (4)

Principio di funzionamento




Da destra a sinistra
Segnale passa attraverso il polarizzatore a 45°
Segnale attraverso il rotatore di Faraday
 Dispositivo non reciproco, rotazione di 45° della
polarizzazione indipendente dal verso
Secondo polarizzatore verticale
 Trasmissione nulla (idealmente)
Componenti delle reti ottiche

Componenti delle reti ottiche







Accoppiatori
Circolatori e isolatori
Multiplexer e filtri
Amplificatori ottici
Sorgenti e rilevatori
Commutatori
Convertitori di lunghezza d’onda
Multiplexer e filtri (1)

Filtri ottici




Selezione delle lunghezze d’onda
 Mux/demux
 Equalizzazione del guadagno
 Filtraggio del rumore
Filtro: dispositivo a 2 porte che seleziona una
lunghezza d’onda
Multiplexer: combina n segnali alle sue porte
di ingresso nella porta di uscita
Demultiplexer: opposto al Mux
 WXC (Wavelength Cross Connect)
Multiplexer e filtri (2)

WXC


Statici: pattern fissato all’installazione
 Molto limitati
Dinamici: insieme di Mux, Demux e switch
 Commutazione di segnali da una porta all’altra
Multiplexer e filtri (3)

Specifiche dei filtri ottici



Basse perdite di inserzione
Bassa PDL
Banda indipendente dalla temperatura


Banda passante piatta



Shift minore del channel spacing
Cascata di filtri per ridurre la banda
Isolamento del filtro (basso crosstalk)
Bassi costi tecnologici
Multiplexer e filtri (4)
Multiplexer e filtri (5)

Aspetti tecnologici



Filtri ottici in fibra
 Produzione di massa
 Indipendenti dalla polarizzazione
 Facile accoppiamento fibra - filtro
Filtri ottici in ottica integrata
 Simili ai chip elettronici con minore capacità di
integrazione
 Filtri in silice, silicio, GaAs, polimeri
 Intrinsecamente dipendenti dalla polarizzazione
(PDL)
Fenomeni di interferenza e diffrazione
Reticoli

Reticolo (grating):
 Singola sorgente, interferenza tra segnali
con diverso shift di fase



Segnali che si propagano in cammini di
lunghezza diversa
Uso dei reticoli come Mux/Dmux
Tipologie
Reticoli di diffrazione
 Reticoli di Bragg (Bragg grating)
 Long-period grating (LPG)

Reticoli di diffrazione (1)

Aperture equispaziate su un piano



Pitch del reticolo
La luce incidente diffrange dalle aperture
Piano immagine
 Interferenza costruttiva solo in alcuni punti
 Massimo di interferenza in punti diversi a seconda
della lunghezza d’onda
Reticoli di diffrazione (2)

Reticoli di trasmissione


Reticoli di riflessione (più usati)


Superfici riflettenti equispaziate
Separazione spaziale dei canali WDM


Aperture equispaziate
Raccolti da fibre posizionate in modo opportuno
Geometrie concave


Aperture disposte lungo un arco di cerchio
Es. reticolo Stimax, usato a livello commerciale
 Costoso
 Alte prestazioni
Reticoli di Bragg (1)

Reticolo di Bragg



Perturbazione periodica del mezzo nella direzione di
propagazione
In genere si perturba l’indice di rifrazione
Applicazioni



Filtraggio
Laser
Compensazione della dispersione
Reticoli di Bragg (2)

Principio di funzionamento


Onde contropropaganti
Condizione di Bragg per il trasferimento di potenza
 0  1 

 0    0  
Lunghezza d’onda di Bragg


2

2

0  2neff 
L’efficienza della riflessione diminuisce se ci si
allontana da λ0
Gratings “apodizzati”
Reticoli di Bragg (3)

Spettro di riflessione di
reticolo uniforme

L = 1 mm

Banda circa 1 nm

Spettro di riflessione di
reticolo “apodizzato”
Reticoli in fibra (1)

Applicazioni




Filtraggio
Add/drop multiplexers
Compensazione della dispersione
Vantaggi del reticolo in fibra






Basse perdite
Facile accoppiamento con le fibre
Non sensibile alla polarizzazione
Basso coefficiente di temperatura
Package molto semplice
Basso costo
Reticoli in fibra (2)

Produzione




Sfrutta la fotosensibilità delle fibre
 Fibra standard drogata con germanio è molto
fotosensibile
L’esposizione della fibra ai raggi UV modifica l’indice
di rifrazione del core
Due fasci UV che interferiscono generano un pattern
periodico lungo la fibra
 Intensità alta: aumenta l’indice (circa 10-4)
 Intensità bassa: indice invariato
Maschera di fase
 Elemento diffrattivo crea i due fasci interferenti
Reticoli in fibra (3)

Tipi di reticolo in fibra

Reticoli di Bragg
 Basse perdite (0.1 dB)
 Elevata accuratezza (±0.05 nm)
 Basso crosstalk (40 dB isolamento)
 Banda abbastanza piatta
 Coefficiente di temperatura 1.25x10-2 nm/°C



Compensazione con package a coefficiente di
espansione termica negativo, quindi alla fine si ha
0.07x10-2 nm/°C
Nel range di 100 °C shift di 0.07 nm
Ottime proprietà, quindi molto usati

Es. classico filtro add-drop
Reticoli in fibra (4)

Funzionalità add-drop
drop
add-drop
Long-period gratings (1)

Tipi di reticolo in fibra

Long-period gratings (LPG)
 Stesso processo di fabbricazione dei Bragg
 Uso come filtro equalizzatore per EDFA
Long-period gratings (2)

Principio di funzionamento
Accoppiamento tra modo guidato e modo del
mantello
 Modi dal mantello hanno perdite elevate
 Condizione di phase matching

   clp 

Λ dell’ordine del centinaio di μm


2

Circa 0.5 μm nei reticoli di Bragg
Lunghezza d’onda di massimo trasferimento
   neff  neffp 
Long-period gratings (3)


Noti gli indici efficaci si sceglie il
periodo che va ad accoppiare i due
modi alla frequenza desiderata
Reticolo elemento di perdita controllata



E dipendente dalla lunghezza d’onda
Possibilità di ottenere spettri complessi
mettendo in cascata più filtri
Lunghezza dispositivi circa cm
Filtri di Fabry Perot (1)

Interferometro di Fabry Perot (etalon)





Cavità formata da due specchi riflettenti
Il segnale entra normale al primo specchio
Il segnale esce normale dal secondo specchio
Larga applicazione in sistemi WDM, tunabili
Oggi esistono filtri migliori: filtri a film sottile
 Simili al Fabry Perot, specchi dipendenti dalla
lunghezza d’onda
Filtri di Fabry Perot (2)

Principio di funzionamento



TFP ( ) 
Riflessioni multiple all’interno della cavità
Solo alla frequenza di risonanza questi contributi si
sommano in fase all’uscita
 Il round trip è multiplo intero della lunghezza
d’onda nella cavità
Funzione di trasferimento in potenza
 Frazione dell’energia trasmessa in uscita
A 

1 

1

R


2
2
 2 R

2nL 
1  

sin
  1 R
  




A: assorbimento specchi

R: riflettività specchi

L: lunghezza cavità

n: indice rifrazione materiale

λ: lunghezza d’onda nel vuoto
Filtri di Fabry Perot (3)

Caratteristiche della risposta in frequenza

Periodica in frequenza
 Picchi per f0τ = m / 2, m intero e τ = nL / c
 Fare attenzione in sistemi WDM
 Serve R elevata per buon isolamento tra canali
Filtri di Fabry Perot (4)

Parametri del filtro




FSR (Free Spectral Range)
 Intervallo frequenziale tra due picchi della f.d.t.
FWHM (Full Width at Half Maximum)
 Larghezza spettrale della banda del filtro
Finesse (FSR/FWHM)
 Numero approssimato di canali gestibili dal filtro
 R
F
1 R
Sistemi WDM
 Distanza tra canali pari almeno a FWHM più un
multiplo intero di FSR
Filtri a film sottile dielettrico (1)

TFF (Thin Film Filter)



È un etalon con specchi formati da multistrati
dielettrici a film sottile
Filtro passa-banda
 Trasmette una lunghezza d’onda, riflette le altre, a
seconda della lunghezza della cavità
TFMF (Thin Film Multicavity Filter)

Due o più cavità separate
da multistrati
 Banda piatta, fronti ripidi
 Ottimo filtro per WDM
Filtri a film sottile dielettrico (2)

Uso come Mux/Dmux




Più filtri in cascata
Ognuno trasmette una lunghezza d’onda e riflette le
altre
Basse perdite, insensibile alla polarizzazione, stabile
in temperatura
Molto usati in dispositivi commerciali
Interferometro Mach-Zehnder (1)

Dispositivo interferometrico che sfrutta due
rami a diversa lunghezza


Oggi



Conosciuto e fabbricato da decenni
Costruito in ottica integrata (es. silicio su silice)
Formato da due accoppiatori a 3 dB e da due rami
a diversa lunghezza
Applicazioni


Filtraggio: esistono filtri migliori (TFF), utile per
filtraggio wide-band (1300 - 1550 nm)
Mux/dmux 1 x 2 e 2 x 1
Interferometro Mach-Zehnder (2)

Caratteristiche





Banda stretta con più stadi in cascata
Basso crosstalk, però…
 Deriva di temperatura peggiora le prestazioni
 Accoppiamento diverso da 3 dB e dipendente dalla
lunghezza d’onda
Banda non troppo piatta (rispetto ai TFF)
Banda di filtraggio tunabile
 In temperatura, si varia l’indice di rifrazione di un
ramo
 Tempo di tuning: ms
Mux/dmux con molte porte: meglio gli AWG
Interferometro Mach-Zehnder (3)
Interferometro Mach-Zehnder (4)
Interferometro Mach-Zehnder (5)

Principio di funzionamento (dmux)


Ingresso segnale input 1
Output 1
 Differenza di fase tra i due contributi
 / 2  L   / 2



Output 2
 Differenza di fase tra i due contributi  L
Se L  (2k  1) si sommano in fase i contributi
all’uscita 1
Se  L  2k si sommano in fase i contributi
all’uscita 2
 Rozza demultiplazione
Interferometro Mach-Zehnder (6)

Funzione di trasferimento
2
 T11( f )   sin L / 2 


   2


 T12 ( f )   cos L / 2


ΔL parametro critico per fissare la f.d.t.
Interferometro Mach-Zehnder multistadio



Vedi figure precedenti
Usato per mux/dmux di pochi canali
In presenza di molti canali meglio l’AWG
Arrayed Waveguide Grating (1)

Generalizzazione del Mach-Zehnder





Due accoppiatori multiporta connessi da un array di
guide
MZI: due copie shiftate del segnale sommate
AWG: molte copie shiftate sommate
1 x N dmux, N x 1 mux migliori rispetto a MZI
 Perdite più basse, banda più piatta, facile da
costruire in ottica integrata
In commercio
 AWG a 32 canali
 Coefficiente di temperatura 0.01 nm/°C

Serve controllo attivo esterno
Arrayed Waveguide Grating (2)

AWG come demultiplexer


Accoppiatori come lenti
 Collimano il fascio verso l’array
Array di guide come prismi
 Shift di fase dipendente dalla frequenza
Arrayed Waveguide Grating (3)

AWG come WXC



Statico
Non in grado di ottenere pattern arbitrario
Il più utile (progettato opportunamente)
 4 x 4 WXC, ogni porta di ingresso manda un canale
ad ogni uscita
Arrayed Waveguide Grating (4)

Principio di funzionamento (1)




n guide di ingresso e uscita
m guide nell’array
 m = n = 2 è l’MZI
ΔL differenza di lunghezza fissa tra guide
adiacenti
Fase relativa del segnale dall’ingresso i all’uscita j
attraverso le guide m
 ijk 

2

n d
in
1 ik
 n2 kL  n1d kjout

Canali per cui la fase relativa è un multiplo di 2π per
ogni guida k focalizzano dall’ingresso i sull’uscita j
Arrayed Waveguide Grating (5)

Principio di funzionamento (2)

Scelta di progetto per gli accoppiatori
d ikin  d iin  k iin
out
d kjout  d out

k

j
j

Costruzione a cerchio di Rowland
 ijk 

2

n d
in
1 i

 n1d out

j
2k

n 
in
1 i
 n2 L  n1 out
j

Demultiplexing
n1 iin  n2 L  n1 out
 p j
 I canali per cui
j
demultiplexati dall’AWG
 Risposta in frequenza periodica

FSR (Free Spectral Range)
sono
Filtri acusto-ottici (1)

Dispositivo molto versatile



Acousto-Optic Tunable Filter (AOTF)
L’unico filtro tunabile in grado di estrarre più canali
in un colpo solo
Interazione suono - luce
 L’onda acustica crea un reticolo di Bragg
 AOTF semplice


L’onda acustica induce un reticolo
Il reticolo accoppia energia da una polarizzazione
all’altra alla frequenza di Bragg
Filtri acusto-ottici (2)

Principio di funzionamento





Guida birifrangente, solo un modo TE e uno TM
Ingresso polarizzato TE
Il polarizzatore in uscita preleva la luce TM
Onda acustica modula la densità del mezzo
 Reticolo con periodo uguale a quello dell’onda
nTM nTE 1


  n
Condizione di Bragg

 
 Luce che soddisfa la condizione di Bragg viene
convertita da TE a TM e prelevata
 Esempio:




Niobato di litio, Δn circa 0.07
Si vuole prelevare il canale a 1550 nm
Periodo 22 μm, frequenza RF 170 MHz
Perdite per inserzione 4 dB
Filtri acusto-ottici (3)

AOTF indipendente dalla polarizzazione




Dispositivo in ottica integrata
Scomposizione TE/TM all’ingresso
Ogni componente separatamente nell’AOTF
Ricombinazione all’uscita
Filtri acusto-ottici (4)

Funzione di trasferimento


Frequenza estratta: condizione di Bragg
Banda: lunghezza dispositivo
 Più lungo è l’AOTF, più stretta è la banda
2
sin 2  ( / 2) 1  2 /   


T ( ) 
2
1  2 /  
  20 /( Ln)

    0
FWHM uguale a circa 0.8Δ
 Allungando il dispositivo si stringe la banda…
 … però aumenta il tempo di tuning

Legato al tempo di propagazione del suono
Filtri acusto-ottici (5)

AOTF come 2 x 2 WXC


Alla condizione di Bragg, il canale selezionato è
scambiato tra le due porte
Proprietà unica dell’AOTF
 Lanciando onde acustiche a frequenze diverse si
possono avere più condizioni di Bragg
 AOTF come WXC dinamico, con pattern
programmabile
 Cascate di AOTF 2 x 2 per ottenere grandi WXC
Filtri acusto-ottici (6)

AOTF finora non molto usato





Elevato crosstalk
 Primo lobo circa 10 dB sotto il principale
AOTF in cascata
 Si arriva a 20 dB di rapporto tra lobi
 Ma aumentano le perdite
Banda troppo larga (100 GHz)
 Anche per dispositivi lunghi (cm)
AOTF attualmente non adatto al DWDM
Si attendono progressi nel prossimo futuro
Multiplexer “high channel count” (1)

Tipi di architettura

Seriale
 Un canale alla volta
 W canali implica l’uso di W filtri



Struttura scalabile aggiungendo nuovi stadi
Ma inadatta a gestire elevato numero di canali



Es. TFMF
Perdite di inserzione lineari con il numero di dispositivi
in cascata
Canali diversi vedono perdite diverse
Singolo stadio
 Mux / dmux in un singolo stadio / dispositivo


AWG, massimo 40 canali
Basse perdite, ottima uniformità perdite
Multiplexer “high channel count” (2)

Multistadio a bande
 Si dividono i canali in bande
 Dmux in due stadi (in generale N stadi)



Primo stadio: divisione in bande
Secondo stadio: estrazione dei singoli canali
Modulare, necessità di “bande di guardia”
Multiplexer “high channel count” (3)

Multistadio con interleaving

Primo stadio: interleaving




Filtro periodico, esempio Mach-Zehnder
Secondo stadio: estrazione singoli canali
Modulare, filtri più semplici nel secondo stadio
Non servono “bande di guardia”
Componenti delle reti ottiche

Componenti delle reti ottiche







Accoppiatori
Circolatori e isolatori
Multiplexer e filtri
Amplificatori ottici
Sorgenti e rilevatori
Commutatori
Convertitori di lunghezza d’onda
Amplificatori ottici

Compensazione delle perdite

Rigenerazione:




Conversione OE
Ricostruzione del segnale
Conversione EO
Amplificazione a livello ottico

Trasparenza a bitrate e modulazione


Larga banda




Notevole facilità di upgrade
Un singolo EDFA amplifica l’intera trama WDM
Rumore ASE
Dipendenza del guadagno dalla lunghezza d’onda e dalla
potenza
Amplificatori all’erbio (EDFA), amplificatori
Raman, amplificatori a semiconduttore (SOA)
Emissione stimolata (1)



Fenomeno chiave per l’amplificazione
Sistema atomico a 2 livelli E1 e E2
Fotoni con frequenza fc tale che hfc = E2 - E1
inducono transizioni tra i livelli


E1
E2


E2 assorbimento
E1 emissione stimolata
Stessa energia, fase, direzione, polarizzazione
Se prevale cresce il numero di fotoni
Emissione stimolata (2)

Dalla meccanica quantistica…





Il numero r di transizioni per atomo dovute ad
emissione stimolata o assorbimento è uguale
Chiamiamo le popolazioni dei due livelli N1 e N2
Incremento netto di energia ottica (N2 - N1)rhfc
All’equilibrio termico N1 > N2
 Prevale l’assorbimento
Inversione di popolazione
 N2 > N1
 Condizione necessaria per l’amplificazione
 Pompaggio del sistema

Energia fornita dall’esterno per invertire la popolazione
Emissione spontanea

Nel sistema a 2 livelli visto prima…


Senza eccitazione esterna, transizioni da E2 a E1
con emissione di un fotone di energia hfc
È una caratteristica del sistema




Non contribuisce all’amplificazione
I fotoni emessi hanno direzione, polarizzazione e fase
casuale


Tempo di vita medio di emissione spontanea τ21
Potenza di emissione spontanea hfcN2/τ21
Processo incoerente
Rumore ASE (Amplified Spontaneous Emission)
 Emissione spontanea amplificata dall’EDFA

Degrado dell’OSNR, saturazione
Amplificatori all’erbio EDFA (1)

Fibra in silice drogata con ioni erbio Er3+
Pompaggio laser a 980 o 1480 nm
Accoppiatore all’ingresso / uscita per combinare /
separare pompa e segnali
Isolatore all’uscita

Pregi:







Disponibilità di ottime pompe laser
Dispositivo completamente in fibra
Struttura molto semplice
Nessun crosstalk se usato per segnali WDM
Amplificatori all’erbio EDFA (2)

Principio di funzionamento



In figura 3 livelli energetici dell’erbio in silice
Stark splitting: ogni livello dell’atomo isolato di
erbio è splittato in un una banda in silice
 Effetto utile: allargamento della banda
Termalizzazione: atomi di erbio distribuiti in modo
non uniforme nei livelli splittati
Amplificatori all’erbio EDFA (3)




Tutte le frequenze corrispondenti a salti di energia
tra E2 e E1 sono amplificabili
Ioni erbio in silice
 Intervallo amplificabile 1525 - 1570 nm
 Banda circa 50 nm, picco 1532 nm
 Coincidenza fortunata!
All’equilibrio termico N1 > N2 > N3
Inversione di popolazione N2 > N1
 Pompaggio a 980 nm (assorbimento E1
E3)
 E3
E2 (emissione spontanea), τ = 1 μs
 E2
E1 (emissione spontanea), τ = 10 ms
 Pompaggio a 1480 nm: laser ad alta potenza

A 980 nm maggiore efficienza e minore figura di rumore
Amplificatori all’erbio EDFA (4)

Forma della curva di guadagno

Livello di popolazione variabile nei vari livelli
 Guadagno dipende dalla lunghezza d’onda
 I canali WDM sentono un guadagno diverso



Grosso problema in sistemi WDM
Dipendenza del guadagno dalla potenza
Es. EDFA L = 15 m,
pompaggio 980 nm
Amplificatori all’erbio EDFA (5)

Amplificatori multistadio


Strutture installate sono in realtà più complesse
EDFA a doppio stadio
 Il primo garantisce elevato guadagno e basso
rumore
 Il secondo fornisce elevata potenza in uscita
 Ridondanza delle pompe
 Elemento passivo tra i 2 stadi (filtro, mux, dmux,
DCU)
Amplificatori all’erbio EDFA (6)

EDFA in banda L


Strutture viste prime operano in banda C (1530 –
1565 nm)
Estensione alla banda L (1565 - 1625 nm)
 EDFA in banda L (1565 – 1610 nm)




Banda più piatta
Guadagno 3 volte minore
 Maggiore potenza di pompa, lunghezza o drogaggio
con erbio
Rumore ASE più dannoso
EDFA in banda C e L sono dispositivi diversi
 Dmux delle bande C e L, amplificazione C e L, mux
delle bande C e L
Amplificatori Raman (1)

Basati sull’effetto Raman (SRS)




Spettro di guadagno Raman largo e centrato 13
THz (100 nm) al di sotto della pompa
Pompaggio a 1460 – 1480 nm per avere guadagno
Raman a 1550 – 1600 nm
Caratteristiche
 Guadagno teoricamente ad ogni frequenza
 Uso di pompe multiple a diverse frequenze
 Amplificazione concentrata o distribuita
Complementari agli EDFA
 Guadagno distribuito in link ultra long-haul

Richiesta di pompe ad elevata potenza (1 W)
Amplificatori Raman (2)

Sorgenti di rumore
 Effetto Raman ha risposta istantanea



Crosstalk tra canali WDM




Fluttuazioni della pompa fanno variare il guadagno
Pompaggio contropropagante
Assente negli EDFA
Il segnale modulato svuota la pompa e quindi la
modula, di conseguenza crosstalk
 Pompaggio contropropagante
Rumore ASE relativamente basso, dannoso lo
scattering di Rayleigh
EDFA concentrato +
Raman distribuito
Componenti delle reti ottiche

Componenti delle reti ottiche







Accoppiatori
Circolatori e isolatori
Multiplexer e filtri
Amplificatori ottici
Sorgenti e rilevatori
Commutatori
Convertitori di lunghezza d’onda
Sorgenti laser

Laser


Per l’uso come sorgente considerare







Uso come trasmettitore o pompa per EDFA o
Raman
Potenza di uscita
 0 – 10 dBm per sistemi WDM
Corrente di soglia
Slope efficiency
Larghezza spettrale
Stabilità della lunghezza d’onda emessa
Dispersione cromatica
Pompe: 100 – 200 mW EDFA, alcuni watt per
i Raman
Laser (1)

Amplificatore ottico chiuso in una cavità


Laser a semiconduttore (SC regione attiva)
 Sono i più usati in sistemi di TLC
 Molto compatti (centinaio di micrometri)
 Produzione di massa
 Pompaggio elettronico
 Alta efficienza di conversione
 Potenza di uscita 0 – 10 dBm
Laser in fibra (EDFA elemento base)
 Pompaggio con laser a SC
 Potenza di uscita 0 – 20 dBm
 Generazione di treni di impulsi (mode-locking)
Laser (2)

Principio di funzionamento





Laser: Light Amplification by the
Stimulated Emission of Radiation
Mezzo con guadagno in cavità
 Amplificatore Fabry Perot
Il guadagno è alto solo alle frequenze di
risonanza della cavità
Pareti (facets) parzialmente riflettenti
Soglia laser: corrente superata alla quale il
sistema oscilla anche in assenza di ingresso
ottico

Amplificazione dell’emissione spontanea
(rumore) a causa dell’emissione stimolata

Generazione di luce coerente
Laser (3)

Modi longitudinali

Due condizioni necessarie per l’oscillazione
 Frequenza compresa nella banda di guadagno


Lunghezza della cavità multiplo intero di mezza
lunghezza d’onda



EDFA laser, 1525 – 1560 nm
Modi longitudinali della cavità laser
Laser Fabry Perot
 MLM laser (Multi Longitudinal Mode)
 Larga banda (10 nm), dispersione cromatica
Laser SLM (Single Longitudinal Mode)
 Filtraggio dei modi longitudinali
 Side-mode suppression ratio (almeno 30 dB)
Laser MLM vs. SLM


Laser MLM

Laser SLM
Notare come la spaziatura tra modi adiacenti sia
confrontabile con lo spacing tra canali WDM!
Laser a feedback distribuito (1)

Tipologia di feedback


Localizzato
 Laser Fabry Perot
Distribuito
 Selezione del singolo modo longitudinale



Laser DFB (Distributed Feedback Laser)


Reticolo di Bragg: viene emessa solo la lunghezza
d’onda uguale a due volte il periodo
Elevata attenuazione per i multipli
Struttura periodica all’interno della regione di guadagno
Laser DBR (Distributed Bragg Reflector)

Regione di guadagno e di selezione della frequenza
separate
Laser a feedback distribuito (2)

Laser DFB

Laser DBR
Laser a feedback distribuito (3)


Variando il periodo si seleziona la frequenza
Laser DBR



Controllo indipendente del guadagno e della frequenza
Accordabilità variando l’indice di rifrazione del Bragg
grating
Laser DFB



Fabbricazione più complessa, più costosi
Necessari per sistemi a lunga distanza e alto bitrate
Packaging del laser comprende…




Isolatore in uscita per prevenire le riflessioni
Elemento di stabilizzazione della temperatura
 Coefficiente di temperatura 0.1 nm/°C
Fotorilevatore che preleva la luce dal retro del laser
Array di laser DFB

Utili per sistemi WDM, ma bassa resa
VCSEL (1)

Vertical Cavity Surface-Emitting Lasers




MLM: spaziatura in frequenza c/(2nL)
Riducendo L aumenta la spaziatura
 Al limite, un solo modo sperimenta guadagno
 Sottile strato attivo su substrato di SC
Cavità delimitata da multistrato dielettrici
 Specchi ad elevata riflettività
Emissione verticale della radiazione

Schema di un VCSEL
VCSEL (2)

Elevata resistenza ohmica vista dalla corrente

I VCSEL scaldano molto



Ricerca: ottenuti buoni VCSEL a 1310 nm
Vantaggi del VCSEL



Necessità di controllo in temperatura
Risulta difficile costruire VCSEL che operino a
temperatura ambiente


Problema per gli specchi dielettrici
Semplice, efficiente accoppiamento con la fibra
Packaging semplice, uso in array di laser
Oggi



VCSEL a 850 nm, fibre MMF in link low cost
VCSEL a 1310 nm per fibre SMF
Ricerca per ottenere VCSEL a 1550 nm
VCSEL (3)

Array di VCSEL



Molto utili per laser multilunghezza d’onda in sistemi
WDM
Si cerca realizzazione su singolo substrato
 Vedi laser DFB visti prima
Caratteristiche degli array VCSEL




Dimensioni ridotte e maggiore densità
Difficoltà in fase di multiplexing
Problemi di resa
Array di VCSEL
Diodi LED

LED (Light Emitting Diode)







Alternativa ai laser per bassi bitrate e link corti
 MOLTO meno costosi (reti di accesso)
Giunzione pn polarizzata direttamente
Emissione spontanea di luce per ricombinazione
dei portatori minoritari
Banda di emissione larga
 Differenza di energia tra le bande di valenza e
conduzione
Bassa potenza di emissione (-20 dBm)
Modulabili a max centinaia di Mbit/s
LED slicing: filtro molto selettivo preleva una
parte dello spettro
 Applicazioni a basso costo in alternativa ai DFB
Modulazione diretta e esterna (1)

Modulazione



Uso della portante ottica per trasmettere dati
Modulazione OOK (On-Off Keying)
 La più semplice ed usata, 1 luce presente, 0 luce
assente
Modulazione diretta (1)

Si modula la corrente nella
sorgente (es. laser)



Sopra soglia: 1
Sotto soglia: 0
Extinction ratio

Rapporto tra la potenza ottica
relativa a 1 e 0
Modulazione diretta e esterna (2)

Modulazione diretta (2)

Semplice, non costosa

Grosso vantaggio dei laser a semiconduttore è la elevata
velocità di modulazione diretta


Laser in fibra all’erbio non modulabili direttamente
 Elevato tempo di vita degli atomi di erbio al livello E2
 Sorgente CW, modulatore esterno
Impulsi chirpati




Frequenza della portante che varia nel tempo
Allargamento dello spettro trasmesso
Peggioramento del comportamento dispersivo
Riduzione del chirp




Aumento della potenza relativa allo 0, ma…
Si riduce l’extinction ratio
Extinction ratio di 7 dB compatibile con un chirp ragionevole
Sistemi long-haul ad elevato bitrate

modulazione esterna
Modulazione diretta e esterna (3)

Modulazione esterna



Modulatore esterno OOK
Minimizzazione degli effetti del chirp
Modulatori commerciali
 Integrati nel package del laser, con il circuito di
stabilizzazione della frequenza
 Fig. (a) sorgente laser mode locked



Modulatore esterno blocca gli impulsi relativi a 0
Laser a SC di questo tipo costano troppo e occupano
troppo spazio
Fig. (b) sorgente laser DFB e modulatore a 2 stadi
(molto usato)


Primo stadio: creazione del treno di impulsi
Secondo stadio: blocco impulso relativi a 0
Modulazione diretta e esterna (4)
Ricevitore

Ricevitore

Pre-amplificatore


Fotorilevatore


Corrente proporzionale alla luce incidente
Amplificatore front-end


EDFA opzionale che precede il fotodiodo
Amplifica il segnale al livello opportuno
Decisore


In sistemi digitali, sceglie tra 1 e 0
Dipende dal tipo di modulazione usata
Fotorilevatori (1)


Materiali semiconduttori
Fotoni assorbiti da elettroni in banda di valenza


Generazione di coppie elettrone-lacuna
Polarizzazione del dispositivo


Fotocorrente proporzionale alla luce incidente
Fotoni assorbiti solo se con energia sufficiente


hfc = hc/λ > eEg
Lunghezza d’onda di cutoff

Massima λ rilevabile
Fotorilevatori (2)



Silicio e GaAs inutilizzabili a 1310 e 1550 nm
Germanio teoricamente sì, in pratica no
In pratica, largo uso di



InGaAs, InGaAsP in seconda e terza finestra
Silicio in prima finestra
Parametri del fotorilevatore

Efficienza η: frazione della potenza ottica realmente
assorbita e convertita in fotocorrente


Importante che sia vicina a 1
Slab di semiconduttore di spessore sufficiente L [μm]
P
  abs  1  e L
Pabs  1  e L  Pin
Pin



α coefficiente di assorbimento
 0 per λ maggiore della λ di cutoff
 Valore tipico 104 /cm, spessore slab 10 μm
Fotorilevatori (3)


Area del fotorilevatore piuttosto grande
Banda larga: funziona a tutte le λ sotto il taglio

Responsività R

Rapporto tra fotocorrente media e potenza ottica
R


Ip
Pin
A / W 
R
e  [ m]
A / W 

hfc
1.24
R dell’ordine di 1 A/W a 1310 nm e 1.2 A/W a 1550 nm
Bassa efficienza usando una semplice slab



Ricombinazione degli elettroni
Serve un campo elettrico esterno che porti via gli elettroni
generati
Giunzione pn polarizzata inversamente (fotodiodo)

Elettroni portati velocemente per drift verso la zona n
Fotorilevatori (4)

Giunzione pn

Zona di svuotamento

Polarizzazione inversa
Fotorilevatori (5)

Fotodiodo PIN




Strato di SC intrinseco tra le zone n e p
Regione di svuotamento nella regione intrinseca
Regione intrinseca spessa rispetto alle zone pn
 Elevata efficienza di assorbimento
Regioni n e p trasparenti alla lunghezza d’onda di
lavoro (es. 1550 nm)
 Eterostruttura InP – InGaAs
 Taglio InP 920 nm
 Taglio InGaAs 1650 nm
 Nessun assorbimento nelle regioni p e n

Corrente di diffusione quasi nulla
Fotorilevatori (6)

Fotodiodo APD




Avalanche PhotoDiode
Nel PIN un fotone genera un elettrone
In presenza di elevati campi elettrici
 L’elettrone generato può eccitare un altro elettrone
dalla banda di valenza
 Effetto a valanga
Numero di elettroni secondari generati è stocastico
 Valore medio Gm guadagno moltiplicativo
 Compromesso tra guadagno e rumore

Valore di Gm moderato, basso rumore
Componenti delle reti ottiche

Componenti delle reti ottiche







Accoppiatori
Circolatori e isolatori
Multiplexer e filtri
Amplificatori ottici
Sorgenti e rilevatori
Commutatori
Convertitori di lunghezza d’onda
Commutatori ottici (1)

Applicazioni

Fornitura di lightpaths
 All’interno di OXC
 Sostituiscono i patch panels manuali




Con l’aggiunta di software real-time
Molte porte
Tempi di switching nell’ordine dei ms
Protezione
 Usati per redirigere il traffico in caso di guasto
 Molti schemi disponibili
 Numero di porte da 2 a migliaia
 Tempi di switching nell’ordine dei ms
Commutatori ottici (2)

Commutazione di pacchetto ottica
 Switching pacchetto per pacchetto
 Tempi di switching nell’ordine dei ns



Cella ATM (53 bytes) a 10 Gbps dura 42 ns
Campo di ricerca, reti non installate
Modulazione
 Modulazione esterna di laser

Segnale 10 Gbps, durata del bit 100 ps, tempo di
switching circa 10 ps
Commutatori ottici (3)

Parametri dei commutatori







Extinction ratio
 Rapporto tra potenza in stato on e off
 Meccanici (40 - 50 dB), alta velocità (10 - 25 dB)
Perdite di inserzione
 E relative perdite di uniformità
Crosstalk tra canali non connessi
PDL
Affidabilità di breve e lungo termine
Latching
 Mantenimento dello stato senza alimentazione
Readout: possibilità di controllare lo stato
Commutatori ottici (4)

Commutatori ad elevato numero di porte



Numero di porte da decine a centinaia
 Classico CO, fornitura e protezione di canali
Numero di porte da centinaia a migliaia
 Reti di prossima generazione
Caratteristiche e specifiche

Numero di elementi di switching elementari


Perdite di uniformità


Massimo e minimo numero di switch sul percorso
Numero di crossover


Packaging, giunzione, fabbricazione
Incroci tra percorsi in guida o spazio libero
Caratteristiche di blocking

Commutatori blocking e nonblocking
Commutatori ottici (5)

Caratteristiche di blocking


Commutatori blocking
 Non tutti i pattern di connessione sono realizzabili
Commutatori nonblocking
 Tutti i pattern di connessione sono realizzabili



Ogni porta di ingresso non usata può essere connessa
ad una porta di uscita non usata
Richiesti dalla maggior parte delle applicazioni
Commutatori wide sense nonblocking


Non richiedono di modificare connessioni esistenti
Usano specifici algoritmi di routing per garantire la
specifica nonblocking
Commutatori ottici (6)

Commutatori strict sense nonblocking



Commutatori rearrangeably nonblocking





Ogni porta di ingresso non usata può essere connessa
ad una porta di uscita non usata…
Indipendentemente da come sono state realizzate le
connessioni già esistenti
Per rispettare la specifica nonblocking può essere
necessario modificare connessioni esistenti
Architettura semplice, minor numero di switch
Algoritmi di gestione e controllo complessi
Non sempre è accettabile l’interruzione di una
connessione
Compromesso tra i diversi aspetti porta alla scelta
della configurazione
Commutatori meccanici bulk

Switching attraverso azione meccanica



Specchio mobile
Accoppiatore direzionale in fibra
 Azione su fibra nella regione di accoppiamento
Caratteristiche


Basse perdite, basso crosstalk, bassa PDL,
costano poco, bassa affidabilità
8 – 16 porte, tempo di risposta ms
 Applicazioni in piccoli OXC per fornitura e
protezione di lightpath
Commutatori MEMS

MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems)




Dispositivi meccanici miniaturizzati su silicio
Specchi mobili, dimensioni mm, alta densità
Attuazione elettrostatica
Specchio 2D (sinistra) / 3D (destra)
 Controllo digitale / analogico
Commutatori bubble-based

Brevetto Agilent



Tecnologia delle stampanti a getto
Serie di guide d’onda che si intersecano
Solchi con liquido “index matching”
 La luce prosegue all’incrocio nella stessa guida
 Scaldando il liquido si forma una bolla d’aria

Riflessione


Fabbricati switch 32 x 32 su
singolo substrato
Ottimi per piccoli switch low
cost, tempo risposta ms
Altri commutatori…

Switch elettro-ottico Mach Zehnder





Switch termo-ottico Mach Zehnder




Switch 2 x 2
Controllo elettronico
Tempi di commutazione nell’ordine del ns
Scarsa densità, alte perdite, costosi
Controllo in temperatura
Realizzati su silice o polimeri
Alto crosstalk, tempo di risposta ms
Switch SOA

Commutazione variando la tensione di voltaggio



Senza tensione assorbe, con tensione amplifica
Elevato extinction ratio, tempo di risposta ns
Costoso, alta PDL
Componenti delle reti ottiche

Componenti delle reti ottiche







Accoppiatori
Circolatori e isolatori
Multiplexer e filtri
Amplificatori ottici
Sorgenti e rilevatori
Commutatori
Convertitori di lunghezza d’onda
Convertitori di lunghezza d’onda


Dispositivo che converte i dati in ingresso da una
lunghezza d’onda a un’altra
Applicazioni

Transponder

Adattamento dati alle caratteristiche della rete


Reti wavelength-routing


Nel caso manchi coordinamento sui canali
Dispositivi


Maggiore efficienza nella fornitura di lightpath
Connessione tra reti diverse


Es. dati a 1310 nm in ingresso a rete WDM (1550 nm)
Fixed (variable)-input, fixed(variable)-output
Range di potenza, caratteristiche di trasparenza
Approccio optoelettronico

Semplice e largamente
usato nelle reti installate




Conversione OE
Rigenerazione
Trasmissione a diversa
lunghezza d’onda
Trasparenza dipende dalla
rigenerazione

1R: amplificazione


2R: 1R + reshaping


Trasparente
Trasparente
3R: 2R + retiming

Non trasparente