Wavelength
1 CONVERTITORI di lunghezza D’ONDA
Nei sistemi WDM (Wavelength Division Multiplexed), i dati possono essere codificati su diversi canali di lunghezza d’onda e propagati attraverso il sistema. Le reti WDM possono scalare a tassi più elevati e un numero maggiore di utenti riutilizzando le lunghezze d’onda in parti separate della rete (Alexander et al, 1993). Il fatto che i convertitori di lunghezza d’onda aumentino o meno la capacità di una rete dipende dalla topologia e dall’estensione geografica della rete (Kaminow et al, 1996). Per le reti wide area e le topologie mesh, i modelli prevedono benefici modesti quando vengono impiegati convertitori di lunghezza d’onda (Barry e Humblet. 1996; Ramaswami e Sivarajan, 1996). Anche se i loro potenziali benefici non sono chiari da un punto di vista architettonico, lo sviluppo di convertitori di lunghezze d’onda ad alta velocità è stata un’area attiva di ricerca.
La funzione di un convertitore di lunghezza d’onda è quella di prendere un segnale ottico di dati a una lunghezza d’onda e tradurlo in un’altra lunghezza d’onda, mantenendo l’integrità del segnale originale. Idealmente, questa funzione viene eseguita in modo trasparente o insensibile al formato di bit-rate e modulazione del segnale originale. Le tecniche opto-elettroniche in cui il segnale ottico dei dati viene rilevato, filtrato e amplificato elettronicamente e quindi utilizzato per modulare la luce a una lunghezza d’onda diversa, sono limitate in velocità dalla conversione opto-elettronica. Tutte le tecniche ottiche basate su cross-gain modulation, cross-phase modulation e FWM in SO As sono più promettenti.
Di queste tre tecniche, la modulazione cross-gain (XGM) è la più semplice. In questa tecnica, un segnale modulato intensità, indicato come la pompa, si propaga attraverso un SOA e riduce il guadagno. Le fluttuazioni di guadagno indotte sono impresse su un secondo ingresso alla SOA, un fascio cw a una diversa lunghezza d’onda chiamata sonda (Koga et al, 1988; Glance et al, 1992; Joergensen et al, 1993). In questo caso, i dati convertiti in lunghezza d’onda sono il complemento del segnale dati originale. I dati complementari possono anche essere codificati su più fasci di sonda cw contemporaneamente (Wiesenfeld e Glance, 1992). Mentre è stata dimostrata la conversione della lunghezza d’onda a lunghezze d’onda sia più corte che più lunghe (Wiesenfeld et al, 1993; Joergensen et al, 1993), il rapporto di estinzione dei segnali convertiti in lunghezze d’onda più corte è sempre migliore perché il guadagno si comprime asimmetricamente come risultato di effetti di riempimento della banda (Wiesenfeld, 1996). Poiché la tecnica si basa sulla modulazione del guadagno, all’aumentare della velocità dei dati ottici, è necessario adottare misure per ridurre la durata dello stato superiore dei portatori nella SOA in modo che la modulazione della densità portante possa seguire il segnale della pompa. Come discusso in precedenza, la durata dello stato superiore può essere diminuita in presenza di un intenso fascio di tenuta ottica (Manning e Davies, 1994; Patrick e Manning, 1994). In molte dimostrazioni XGM, il fascio di sonda stesso viene utilizzato come fascio di tenuta ottica (Mikkelsen et al, 1993; Wiesenfeld et al, 1993; Wiesenfeld et al, 1994a).
La presenza necessaria di un intenso fascio ottico di tenuta diminuisce il guadagno di stato stazionario del SOA e riduce il rapporto di estinzione del segnale convertito in lunghezza d’onda. Pertanto, all’aumentare della velocità dei dati ottici, la conversione della lunghezza d’onda da parte di XGM è ostacolata da un rapporto di estinzione ridotto e da interferenze intersimboliche dovute alla durata del vettore finito. Tuttavia, la conversione a velocità di trasmissione dati fino a 20 Gb/s è stata dimostrata (Wiesenfeld et al, 1994a). Un ulteriore inconveniente di questa tecnica è che ad alte potenze di ingresso e grandi riduzioni di guadagno, cambiamenti di fase significativi accompagnano i cambiamenti di guadagno. Questi cambiamenti di fase possono impartire un chirp al flusso di dati ottici e limitare la distanza di trasmissione del segnale. Si noti inoltre che questa tecnica è applicabile solo ai segnali modulati in ampiezza. Tuttavia, la conversione della lunghezza d’onda di XGM è una tecnica utile perché richiede solo potenze di ingresso moderate e può essere una tecnica insensibile alla polarizzazione se il guadagno della SOA è insensibile alla polarizzazione. Inoltre, se la pompa e la sonda si propagano in direzioni opposte attraverso il SOA, non è necessario alcun filtro o polarizzatore per separare i fasci pompa e sonda all’uscita SOA. Infine, questa tecnica è stata dimostrata utilizzando laser a semiconduttore piuttosto che SOAs (Ottolenghi et al, 1993; Braagaard et al, 1994). L’uso dei laser richiede maggiori potenze di ingresso e produce meno flessibilità nella gamma di lunghezze d’onda convertite.
La modulazione cross-phase (XPM) può anche essere utilizzata per ottenere la conversione della lunghezza d’onda. In questa tecnica, la pompa comprime il guadagno e modifica l’indice di rifrazione dell’amplificatore a semiconduttore. Un fascio di sonda che si propaga attraverso la SOA acquisisce uno sfasamento variabile, a seconda che la pompa sia presente o meno. Se il SOA è posto in un braccio di un interferometro, il cambiamento di fase indotto o la modulazione di fase possono essere convertiti in una modulazione di intensità (Mikkelsen et al, 1994; Durhuus et al, 1994). Ci sono diversi vantaggi di ottenere la conversione di lunghezza d’onda da XPM piuttosto che da XGM. Un vantaggio è che l’interferometro può essere configurato per l’operazione” invertente “e” non invertente”, a seconda del bias di fase iniziale. L’operazione di inversione, come XGM, genera una copia complementare del segnale di ingresso alla lunghezza d’onda convertita, mentre l’operazione non invertente mantiene esattamente il flusso di dati originale. Un altro vantaggio è che i rapporti di estinzione molto elevati possono essere realizzati nell’interferometro (Wiesenfeld, 1996) e le travi della pompa e della sonda contropropaganti possono essere utilizzate per eliminare la necessità di un filtro o polarizzatore all’uscita del convertitore. Inoltre, la dipendenza della lunghezza d’onda del cambiamento di fase è più debole di quella del cambiamento di guadagno (Fig. 15), quindi la conversione a lunghezze d’onda più corte e più lunghe è più uniforme. Inoltre, il segno del chirp impartito al segnale convertito in lunghezza d’onda dipende dal fatto che l’interferometro sia polarizzato come convertitore di lunghezza d’onda invertente o non invertente. Per il funzionamento non invertente, il chirp impartito al segnale convertito causa la compressione degli impulsi in fibra ottica standard in modo che non si osservino penalizzazioni di dispersione negli esperimenti di trasmissione (Ratovelomanana et al, 1995; Idler et al, 1995). Gli svantaggi associati alla tecnica XPM sono il design interferometrico del dispositivo, l’elevata sensibilità delle prestazioni del dispositivo ai cambiamenti nei parametri di input come il livello di potenza, la polarizzazione e la lunghezza d’onda e il fatto che solo i segnali modulati in ampiezza possono essere convertiti. Tuttavia, la conversione della lunghezza d’onda a velocità fino a 40 Gb/s è stata dimostrata in convertitori interferometrici integrati che impiegano non linearità dell’indice di rifrazione in SOA (Danielsen et al, 1996).
FWM è l’unica tecnica di conversione di lunghezza d’onda completamente ottica indipendente dal formato di modulazione dei dati (Vahala et al, 1996). Oltre ai segnali modulati in ampiezza, converte i segnali analogici e i segnali modulati in fase, ma la modulazione di fase è invertita perché il flusso convertito in lunghezza d’onda è il coniugato di fase dell’ingresso. Ricordiamo che la coniugazione di fase del fascio convertito di lunghezza d’onda consente di “annullare” le distorsioni spettrali indotte dalla trasmissione negli schemi di inversione spettrale midspan (Tatham et al, 1994). Tuttavia, rispetto a XGM e XPM, FWM ha ricevuto meno considerazione come tecnica di conversione di lunghezza d’onda fattibile per le applicazioni di sistemi. Una ragione è che è complicato rendere la tecnica polarizzazione insensibile (Jopson e Tench, 1993). Inoltre, è necessaria una sorta di filtraggio all’uscita del dispositivo FWM per separare la pompa, la sonda e i fasci coniugati. Un altro inconveniente è che l’efficienza di conversione è altamente dipendente dalla lunghezza d’onda (Fig. 30), oltre ad essere asimmetrico (Zhou et al, 1993). Tuttavia, recenti esperimenti hanno mostrato efficienze di conversione di lunghezza d’onda a basso rumore di 0 dB per spostamenti di lunghezza d’onda superiori a 5 nm (Girardin et al, 1997). Oltre a questi risultati, la conversione della lunghezza d’onda FWM dei flussi di dati è stata dimostrata ad una velocità di 10 Gb/s (Ludwig e Raybon, 1994; Lee et al, 1997).