L'interferometro di Mach-Zehnder attivo, comunemente chiamato SOA-MZI (interferometro di Mach-Zehnder basato su SOA), è un dispositivo estremamente versatile nel campo dell'elaborazione dei segnali ottici. Tra le sue numerose applicazioni si annoverano la commutazione ottica, la conversione di lunghezza d'onda, le funzioni logiche digitali, la rigenerazione del segnale ottico e altro ancora. Si tratta di un dispositivo ottico integrato il cui funzionamento si basa su un fenomeno di interferenza ondulatoria controllato da una serie di segnali di controllo. In questo articolo, spiegheremo il suo funzionamento di base e forniremo alcuni esempi di applicazioni disponibili in commercio.

Struttura e funzionamento di base di un SOA-MZI
La struttura più generale di un SOA-MZI è mostrata in Figura 1. Come si può notare, presenta otto porte ottiche di ingresso/uscita. Queste porte sono collegate tra loro tramite una serie di guide d'onda ottiche 1x2 e 2x2 e accoppiatori, questi ultimi responsabili del comportamento interferometrico. A loro volta, i due rami principali includono due amplificatori ottici a semiconduttore (SOA) che operano in modalità non lineare. Esistono diversi metodi di fabbricazione, tra cui la fabbricazione monolitica e l'integrazione ibrida. Nel primo caso, vengono solitamente fabbricati su fosfuro di indio (InP) utilizzando un processo di deposizione chimica da fase vapore metallorganica (MOCVD) che fa crescere le regioni attive e passive del dispositivo. Nel secondo caso, un circuito ottico planare viene costruito su silice con le guide d'onda ottiche, e successivamente vengono inseriti i SOA (Figura 2). In quest'ultimo caso, l'allineamento e l'accoppiamento della luce tra i SOA e le guide d'onda sono cruciali.
Dopo averne spiegato la struttura, analizzeremo ora i principi di funzionamento di base dell'SOA-MZI. Supponiamo che un segnale dati ottico venga applicato alla porta di ingresso n. 2. In assenza di altri segnali, il segnale si dividerà nell'accoppiatore di ingresso 2x2, attraverserà i due rami principali dell'interferometro (passando attraverso gli SOA) e si ricombinerà nell'accoppiatore di uscita 2x2, uscendo dalla porta n. 7. Questo comportamento si spiega con il fatto che entrambi gli accoppiatori 2x2 introducono uno sfasamento di 90° al segnale ottico in una configurazione a croce, mentre non introducono alcuno sfasamento nella configurazione a barra. Pertanto, gli sfasamenti subiti dai segnali ottici di uscita attraverso le porte n. 6 e n. 7 sono rappresentati schematicamente rispettivamente nelle Figure 3 e 4. Ovvero, in assenza di altri segnali, il segnale di ingresso viene annullato alla porta n. 6 (0° e 180°), mentre viene aggiunto in fase alla porta n. 7 (90° e 90°).
Supponiamo ora che un segnale di controllo venga introdotto attraverso la porta n. 1. Se la potenza ottica è sufficiente a indurre uno sfasamento di 180° sul segnale che attraversa SOA1 grazie al processo non lineare di modulazione di fase incrociata (XPM), si verifica un'inversione nel comportamento dell'SOA-MZI. In questo caso, il segnale verrà annullato alla porta n. 7 (180° e 180°), mentre verrà aggiunto in fase alla porta n. 6 (270° e 90°). In questo modo si ottiene il funzionamento come interruttore ottico controllato a impulsi (Figura 1). Questo è quindi il principio di base da cui è possibile ricavare un gran numero di funzioni aggiuntive, semplicemente cambiando il tipo di segnali e le porte di ingresso e di uscita.

Applicazioni commerciali
Come accennato in precedenza, negli ultimi anni sono emersi numerosi produttori di componenti che offrono dispositivi ottici basati su SOA-MZI nei loro cataloghi.

 

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Tra questi, possiamo evidenziare i convertitori di lunghezza d'onda con capacità di rigenerazione del segnale ottico. Ad esempio, la Figura 5 mostra una fotografia del convertitore e rigeneratore di lunghezza d'onda 2R del CIP (Centre for Integrated Photonics). Questo dispositivo consente di lavorare con segnali a 40 Gbit/s e copre l'intervallo di lunghezze d'onda da 1530 a 1565 nm. Tra le sue caratteristiche, vale la pena notare che richiede basse energie di commutazione. (
Come si può vedere nelle Figure 5 e 6, i dispositivi di tutti i produttori incorporano sia porte ottiche che elettriche. Le porte elettriche vengono utilizzate per fornire le correnti di polarizzazione degli SOA, nonché per controllarne la temperatura, poiché all'interno del package sono inclusi un termistore e un raffreddatore termoelettrico (Peltier).)

Altre applicazioni
Sebbene non siano ancora pienamente entrati nel mercato commerciale, sono in fase di studio altre applicazioni degli SOA-MZI, soprattutto nel campo del calcolo ottico. In particolare, è stato dimostrato sperimentalmente che questi dispositivi possono essere utilizzati per implementare funzionalità di porte logiche e flip-flop. Queste funzioni sono ben note nell'elettronica digitale, ma non altrettanto diffuse nella fotonica. Ciò è dovuto principalmente al fatto che, ad oggi, la fotonica non dispone ancora di un equivalente del transistor elettronico.

 

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Pertanto, la costruzione di porte logiche ottiche richiede l'impiego di altre tecniche, tra cui l'utilizzo di SOA-MZI. Alimentando le porte ottiche del SOA-MZI con i segnali dati appropriati, è possibile realizzare un'intera serie di funzioni logiche di base: OR, AND, XOR e NOT.
Le applicazioni delle porte logiche sono innumerevoli, ma una in particolare si distingue. La porta logica XOR può essere utilizzata per eseguire confronti tra parole di dati. Ciò è fondamentale nel campo delle reti ottiche a pacchetto. Nei nodi di una rete ottica, le intestazioni dei pacchetti devono essere analizzate per instradarle alla porta di uscita corrispondente. La porta logica ottica XOR può essere utilizzata per confrontare queste intestazioni con indirizzi di riferimento direttamente nel dominio ottico, ovvero senza la necessità di convertire i pacchetti nel dominio elettrico. Ciò offre diversi vantaggi, ma il principale è una riduzione del tempo di instradamento dei pacchetti, che consentirà un aumento della capacità gestibile da questi nodi, fino a valori anche di Tbit/s. Purtroppo, dovremo aspettare ancora qualche anno, anche se, come primo passo, si possono già trovare alcuni riferimenti alla capacità del SOA-MZI di eseguire "logica ottica" nei cataloghi dei produttori.

Maggiori informazioni o un preventivo

 

Francisco Ramos Pascual. Dottore di ricerca in Ingegneria delle Telecomunicazioni.
Professore ordinario presso il Politecnico di Valencia.