Se si opera nella terza finestra di trasmissione (1550 nm), le basse perdite di queste fibre, unite alla disponibilità di amplificatori a fibra drogata con erbio (EDFA), consentono di coprire lunghe distanze. Tuttavia, nonostante la loro larghezza di banda praticamente illimitata (diverse centinaia di THz), la presenza di dispersione cromatica a 1550 nm limita la capacità e la portata massime raggiungibili in un dato sistema di comunicazione ottica.
La dispersione cromatica è un ritardo dipendente dalla frequenza che si introduce durante la propagazione attraverso la fibra, causando una distorsione non lineare all'uscita del fotorivelatore. In altre parole, le componenti di frequenza che costituiscono lo spettro del segnale ottico viaggiano a velocità diverse attraverso la fibra e raggiungono il fotorivelatore in momenti leggermente diversi. Nelle trasmissioni digitali, questo effetto si manifesta come un allargamento temporale degli impulsi ottici, causando interferenza tra i simboli. Logicamente, man mano che gli impulsi ottici diventano più stretti (frequenze di modulazione più elevate) o il collegamento in fibra più lungo (maggiore dispersione cumulativa), il degrado diventa più pronunciato. Pertanto, esiste un limite, solitamente espresso come prodotto della larghezza di banda e della lunghezza della fibra, misurato in Gbit/s/km.
La ricerca di nuove tecniche e dispositivi tolleranti alla dispersione cromatica è in corso da tempo. Tra i dispositivi più noti figurano le fibre a compensazione di dispersione, i reticoli di diffrazione in fibra ottica e le fibre a dispersione spostata. Per quanto riguarda le tecniche, spiccano la modulazione di frequenza ottica e l'inversione spettrale. Analizzeremo ora ciascuno di questi metodi in modo più dettagliato.
Fibre a compensazione di dispersione
Le fibre a compensazione di dispersione (DCF) sono caratterizzate da un elevato parametro di dispersione cromatica con segno opposto rispetto a quello delle fibre convenzionali operanti nella terza finestra. Pertanto, inserendo un certo tratto di DCF dopo il collegamento in fibra ottica che costituisce il sistema di comunicazione, è possibile compensare la dispersione cromatica accumulata durante il primo percorso. Se indichiamo con D1 e L1 la dispersione e la lunghezza del collegamento in fibra, e con D2 e L2 la dispersione e la lunghezza della DCF, rispettivamente, la condizione per la compensazione della dispersione può essere scritta come: D1L1 + D2L2 = 0. Ipotizzando un collegamento ottico formato da 100 km di fibra standard (D = 17 ps/km·nm), la dispersione accumulata durante la propagazione attraverso di essa sarebbe di 1700 mps/nm. Pertanto, basandosi su una DCF con un parametro di dispersione di circa -100 ps/km·nm, sarebbero necessari circa 17 km di DCF per ottenere la compensazione. La Figura 1 rappresenta schematicamente un collegamento ottico a lunga distanza che utilizza fibre a dispersione di corrente (DCF) per compensare la dispersione cromatica. Il segnale da trasmettere viene immesso nel sistema da un modulatore elettro-ottico situato all'uscita della sorgente ottica laser e viene ricevuto da un fotorivelatore insieme a un amplificatore elettronico a banda larga. Per equalizzare la dispersione introdotta lungo il collegamento, questo viene suddiviso in sezioni composte da un segmento di fibra monomodale standard (SSMF), una certa lunghezza di fibra a dispersione di corrente (DCF) e, infine, un amplificatore a fibra drogata con erbio (EDFA) per recuperare la potenza del segnale. Sebbene la figura illustri la tecnica basata sulla "post-compensazione", è possibile effettuare anche una "pre-compensazione" semplicemente scambiando le posizioni dei segmenti di SSMF e DCF.
Nonostante quanto sopra, le fibre DCF presentano diversi problemi. In primo luogo, 1 km di fibra DCF compensa solo circa 10,12 km di fibra standard (recenti progressi hanno reso possibile la produzione di fibre con dispersione superiore a -200 ps/km·nm). In secondo luogo, le loro perdite sono relativamente elevate a 1550 nm (circa 0,5 dB/km). Infine, a causa del loro piccolo diametro modale, l'intensità ottica all'interno della fibra è maggiore a parità di potenza ottica, il che accentua gli effetti non lineari. Attualmente, sono in corso studi per migliorare le prestazioni delle fibre DCF. Alcuni risultati già ottenuti si basano su una struttura in fibra bimodale, che raggiunge parametri di dispersione fino a -770 ps/km·nm con perdite identiche a quelle della fibra standard.
Fibre con dispersione spostata
Le fibre a dispersione spostata (DSF) non sono propriamente dispositivi di compensazione della dispersione, bensì un tipo di fibra utilizzato in sostituzione delle fibre convenzionali grazie alle loro proprietà non dispersive. Le fibre standard presentano una dispersione crescente con l'aumentare della lunghezza d'onda, raggiungendo lo zero intorno ai 1310 nm (seconda finestra). Poiché operare nella terza finestra è auspicabile a causa delle basse perdite della fibra, l'obiettivo è sviluppare un nuovo tipo di fibra che presenti una dispersione nulla intorno ai 1550 nm. È così che sono nate le DSF, il cui nome deriva dal processo di fabbricazione che modifica il raggio del nucleo o la differenza di indice di rifrazione tra il nucleo e il rivestimento per spostare la curva di dispersione caratteristica delle fibre standard verso lunghezze d'onda maggiori.
Tuttavia, il processo di fabbricazione di queste fibre comporta una riduzione dell'area effettiva del nucleo (50 mm² rispetto ai 70-80 mm² delle fibre standard), il che intensifica le non linearità del dispositivo. Poiché i fenomeni non lineari sono favoriti nelle regioni a dispersione nulla, ciò significa che la principale limitazione in questi collegamenti diventa ora la non linearità rispetto alla dispersione cromatica. La soluzione più immediata è quella di realizzare fibre DSF con parametri di dispersione sufficientemente piccoli da evitare la limitazione dovuta alla dispersione e, allo stesso tempo, ridurre l'influenza delle non linearità. Questo tipo di fibra è comunemente chiamato NZDSF (Nearly Zero DSF, ovvero DSF quasi nulla) e ne esistono due tipi a seconda del segno del parametro di dispersione. La Figura 2 riassume le caratteristiche di dispersione in funzione della lunghezza d'onda per i diversi tipi di fibra ottica discussi: SSMF, DCF, DSF e NZDSF.
Reticoli di diffrazione su fibra ottica
Indubbiamente, i dispositivi chiave utilizzati per compensare la dispersione cromatica sono i reticoli di diffrazione a frequenza modulata (CFG). Come le fibre a densità dispersiva (DCF), sono dispositivi dispersivi, ma con caratteristiche notevolmente diverse. I loro principali vantaggi sono la bassa perdita di inserzione, le dimensioni compatte (dell'ordine dei centimetri di lunghezza) che ne consentono l'integrazione e la relativa facilità di produzione in serie. Il loro funzionamento si basa sull'introduzione di un ritardo dipendente dalla lunghezza d'onda nei segnali ottici iniettati nel dispositivo, compensando così il ritardo variabile introdotto dal collegamento in fibra ottica. Il CFG in genere ha una singola porta di ingresso/uscita e opera in modalità di riflessione. Poiché sia il segnale ricevuto che quello equalizzato sono presenti a questa porta, è necessario un circolatore per separarli, come mostrato nello schema a blocchi in Figura 3. Questa è la configurazione standard, sebbene esistano anche filtri basati su CFG che operano in modalità di trasmissione anziché in modalità di riflessione.
Il ritardo variabile si ottiene tramite la modulazione chirp della frequenza dell'indice di rifrazione della fibra. Ciò fa sì che i segnali ottici che viaggiano attraverso la fibra si riflettano in punti diversi a seconda della loro lunghezza d'onda, coprendo così distanze variabili. La Figura 4 illustra questo fenomeno, nonché le tipiche risposte di riflettività e ritardo di gruppo di uno di questi dispositivi. Si noti che il CFG è caratterizzato da una specifica larghezza di banda operativa che dipende principalmente dalla lunghezza del dispositivo. A differenza del DCF, questa è la principale limitazione del CFG. Attualmente, sono in corso ricerche per sviluppare CFG a banda larga da utilizzare nei sistemi DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing).
Il metodo di fabbricazione CFG prevede il posizionamento di una maschera di fase tra un fascio di luce ultravioletta e la fibra ottica. Il fascio incidente viene diffratto dalle ondulazioni della maschera di fase e colpisce il nucleo fotosensibile della fibra, modificandone l'indice di rifrazione e modulandolo. Poiché questo processo di fabbricazione non è perfetto, si verificano delle ondulazioni casuali nelle risposte di riflettività e ritardo di gruppo, come mostrato in Figura 4. Nel caso del ritardo di gruppo, queste ondulazioni inducono fenomeni dispersivi di ordine superiore che, in ultima analisi, degradano la qualità del sistema, soprattutto nei sistemi analogici multicanale.
Modulazione di frequenza ottica
Un approccio alternativo alla cosiddetta trasmissione tollerante alla dispersione è la modulazione di frequenza ottica. In questo caso, il formato di modulazione FSK viene tipicamente utilizzato per iniettare il segnale dati da trasmettere sulla portante ottica generata dal laser. La modulazione consiste in uno spostamento Δl della lunghezza d'onda della portante a seconda del bit ("0" o "1"). Durante la propagazione attraverso la fibra, le due lunghezze d'onda viaggiano a velocità leggermente diverse. Il ritardo tra i bit "0" e "1" può essere determinato dalla separazione Δl ed è dato da ΔT = ΔLΔl, dove L è la lunghezza del collegamento in fibra. Quindi, scegliendo una certa separazione tale che ΔT = 1/B, dove B è la frequenza di modulazione, si può dimostrare che il segnale FSK puro viene convertito in un segnale modulato in ampiezza al ricevitore. Infine, utilizzando un integratore insieme a un circuito di decisione, è possibile recuperare il segnale trasmesso. Grazie a questa tecnica, è stata dimostrata la trasmissione di segnali a 10 Gbit/s su 253 km di fibra monomodale standard (SSMF) e di segnali a 20 Gbit/s su 53 km di fibra ottica, confermando che la distanza di trasmissione può essere notevolmente aumentata.
tecnica di inversione spettrale
La tecnica di inversione spettrale, nota anche come OPC (conjugazione di fase ottica), si è dimostrata un metodo efficace per compensare il degrado causato dalla dispersione cromatica nei collegamenti di comunicazione ottica a lunga distanza. Questa tecnica si basa sul posizionamento di un dispositivo coniugatore al centro del collegamento ottico, che inverte la fase del segnale ottico. Supponendo che entrambi i segmenti di fibra prima e dopo il coniugatore abbiano caratteristiche e lunghezza identiche, la propagazione attraverso il secondo segmento compensa la dispersione accumulata all'uscita del primo. Il nome inversione spettrale deriva dal processo di coniugazione stesso, in quanto equivalente alla rotazione dello spettro di modulazione. In questo modo, la dispersione accumulata durante il secondo segmento di fibra viene sottratta da quella introdotta durante la prima parte del collegamento. La Figura 5 rappresenta schematicamente il diagramma a blocchi di un sistema che utilizza la tecnica OPC. Sebbene si utilizzi generalmente L1=L2=L/2, è possibile utilizzare lunghezze diverse se si regolano altri parametri del collegamento, come la potenza ottica o le caratteristiche di dispersione e non linearità delle fibre.
Uno dei principali vantaggi dell'OPC è la sua capacità di compensare anche le degradazioni introdotte dall'effetto combinato della dispersione cromatica e degli effetti non lineari. Inoltre, a differenza delle tecniche basate sull'utilizzo di DCF o CFG, i risultati di equalizzazione ottenuti con l'OPC mostrano una ridotta sensibilità alle variazioni dei parametri lungo la lunghezza della fibra all'interno del sistema, eliminando così la necessità di una progettazione del collegamento eccessivamente meticolosa. In questo modo, il dispositivo OPC può essere collocato in un'area comune (stazione di controllo) e condiviso tra diversi nodi ottici interconnessi da collegamenti in fibra di lunghezze leggermente diverse, con conseguente significativo risparmio sui costi. Utilizzando questa tecnica, è stata dimostrata in laboratorio la trasmissione di segnali a 40 Gbit/s su 400 km di fibra monomodale standard (SSMF), confermando la sua efficacia nella compensazione della dispersione cromatica. Attualmente, sono in corso studi per applicare questa tecnica alle reti ottiche DWDM di prossima generazione.
Costruzione del coniugatore ottico
Poiché il dispositivo OPC è l'elemento chiave, lo analizzeremo più dettagliatamente. La costruzione del coniugatore ottico si basa su processi non lineari che si verificano in alcuni dispositivi ottici e che portano all'inversione di fase del segnale ottico. Il metodo più comunemente utilizzato impiega la miscelazione a quattro onde (FWM) in un mezzo non lineare. Esistono due possibilità principali: la prima basata su un amplificatore ottico a semiconduttore (SOA) e la seconda su un DSF. In entrambi i casi, è necessario un laser di pompaggio per indurre effetti non lineari apprezzabili. Il segnale ottico in ingresso viene miscelato con il pompaggio all'interno del SOA o del DSF e appare coniugato alla sua uscita, sebbene a una diversa lunghezza d'onda. Successivamente, questo segnale coniugato viene selezionato mediante un filtro ottico e infine amplificato, se necessario. Lo schema a blocchi di questo dispositivo è mostrato in Figura 6. Nella stessa figura è mostrato anche lo spettro ottico all'uscita del coniugatore, dove è possibile osservare il segnale appena generato.
La relativa bassa efficienza del processo di coniugazione nelle fibre ottiche merita una menzione speciale. Tipicamente, l'efficienza di conversione è inferiore all'1%, rendendo necessaria un'ulteriore amplificazione del segnale coniugato. Tuttavia, il fenomeno FWM non è intrinsecamente un processo inefficiente e può, in linea di principio, fornire un guadagno. Infatti, l'analisi delle equazioni che modellano l'FWM mostra che l'efficienza aumenta considerevolmente incrementando la potenza di pompaggio e diminuendo la potenza del segnale. Può persino superare il 100% ottimizzando i livelli di potenza e la differenza tra le lunghezze d'onda di pompaggio e segnale, sebbene livelli di potenza elevati siano generalmente evitati a causa della diffusione Brillouin, che si verifica intorno ai 10 mW. La diffusione Brillouin è un processo non lineare nelle fibre ottiche per cui la potenza ottica iniettata viene riflessa all'ingresso della fibra al di sopra di un certo valore che dipende direttamente dalla lunghezza della fibra. Ciò limita la massima potenza di pompaggio applicabile e comporta anche un aumento dell'intensità del rumore all'uscita.
Per quanto riguarda i coniugatori basati su SOA, l'efficienza di conversione è generalmente superiore a quella della FWM nelle DSF grazie all'amplificazione. Il segnale coniugato può essere generato utilizzando un dispositivo lungo 1 mm o anche meno. Tuttavia, questo vantaggio è ridotto dalle elevate perdite di accoppiamento che si verificano quando il segnale viene reiniettato nella fibra. Selezionando opportunamente la distanza tra il segnale e la pompa, è possibile ottenere efficienze di conversione superiori al 100%, ovvero un guadagno netto sul segnale coniugato. Queste caratteristiche rendono questa tecnica molto interessante nei sistemi di compensazione della dispersione. Ciononostante, l'efficienza di conversione e il rapporto segnale/rumore della FWM negli SOA dipendono fortemente da questa distanza tra le onde di segnale e di pompa. Pertanto, sono state proposte diverse tecniche per cercare di equalizzare questa risposta nella banda operativa.
Affinché il processo FWM operi con la massima efficienza, è essenziale che entrambe le onde abbiano lo stesso stato di polarizzazione all'ingresso del mezzo non lineare. Ciò si ottiene mediante un controllore di polarizzazione (Figura 6) sull'onda di pompaggio quando la polarizzazione dell'onda di segnale è nota e stabile. Tuttavia, la polarizzazione del campo elettrico durante la propagazione attraverso le fibre ottiche varia in modo casuale, rendendo impossibile conoscerne in anticipo lo stato all'ingresso dell'OPC in un sistema di compensazione della dispersione reale. Queste variazioni casuali influenzano significativamente l'efficienza del processo FWM, rendendo la tecnica di inversione spettrale inadatta alle applicazioni reali. Fortunatamente, questo argomento è stato oggetto di intense ricerche e sono state trovate configurazioni FWM insensibili alla polarizzazione del segnale di ingresso. Tra queste, diversi esperimenti che utilizzano tecniche di diversità di polarizzazione o due onde di pompaggio a polarizzazione ortogonale. Recentemente sono state proposte nuove tecniche basate su strutture interferometriche Mach-Zehnder e SoAs, interferometri di Sagnac o persino laser DFB costruiti su fibre che raggiungono una dipendenza dalla polarizzazione di soli 0,5 dB.
Oltre al problema della polarizzazione, il processo di coniugazione FWM introduce un altro effetto indesiderato: lo spostamento della portante ottica. Questo è un fattore da considerare nei sistemi di compensazione della dispersione OPC, poiché le proprietà di propagazione lungo il secondo percorso in fibra saranno diverse e la larghezza di banda di trasmissione ottica disponibile sarà dimezzata. Per evitare questo effetto, sono state proposte diverse configurazioni basate sull'utilizzo di due onde di pompa ortogonali. Infine, anche l'influenza di altri effetti, come la distorsione dovuta alla modulazione di ampiezza di fase residua del segnale coniugato o al rumore di fase del segnale di pompa, influisce sulle prestazioni della tecnica OPC e deve essere presa in considerazione nella progettazione del coniugatore.
Autore: Francisco Ramos Pascual. Ingegnere delle telecomunicazioni. Professore di radiocomunicazioni presso l'Università Politecnica di Valencia.
