Nel campo dei sistemi di comunicazione ottica sono recentemente emersi nuovi formati di modulazione avanzati. In particolare, l'utilizzo della modulazione DPSK (Differential Phase-Shift Keying) ha dimostrato di migliorare le prestazioni dei collegamenti di comunicazione ottica a lunga distanza. Rispetto al tradizionale formato di modulazione di intensità OOK (On-Off Keying), il DPSK offre un miglioramento di 3 dB nella sensibilità del ricevitore, risultando al contempo più tollerante agli effetti non lineari, in particolare alla modulazione a spostamento di fase nei sistemi DWDM.
Sebbene la modulazione di intensità NRZ (non-return-to-zero) sia un'opzione a basso costo, le maggiori distanze di trasmissione e la migliore efficienza spettrale ottenute con i formati di modulazione più recenti consentiranno in futuro una maggiore redditività del sistema. In particolare, è opportuno sottolineare che la modulazione DPSK rappresenta il principio fondamentale per raddoppiare la capacità di trasmissione senza incorrere in una penalità di potenza dovuta alla dispersione cromatica o alla dispersione modale di polarizzazione (PMD).

Architetture di modulatori e demodulatori DPSK.
Il segnale DPSK, che trasporta informazioni tramite la differenza di fase tra simboli adiacenti, può essere generato utilizzando diversi metodi. Tra i più semplici vi sono l'utilizzo di un modulatore di fase polarizzato a Vp, un modulatore Mach-Zehnder a doppio braccio in configurazione push-pull con due amplificatori, o un singolo modulatore Mach-Zehnder senza chirp polarizzato a 2Vp per ottenere uno sfasamento completo. Il principale svantaggio delle tecniche di modulazione di fase diretta è l'introduzione del chirp. Altri schemi di trasmettitori DPSK utilizzano un'architettura con due modulatori Mach-Zehnder in parallelo.
La Figura 1 mostra lo schema di un possibile modulatore DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying). I dati vengono codificati sulla portante ottica utilizzando quattro stati di fase distinti. Poiché ogni simbolo trasmesso include due bit di informazione, la velocità di simbolo è ridotta di un fattore 2, consentendo un'elevata efficienza spettrale. L'SHF 46213A è un modulatore parallelo che converte due flussi di dati elettrici (I e Q) fino a 22 Gbit/s in un singolo flusso di dati ottici fino a 44 Gbit/s (22 GBaud). Entrambi i segnali di dati elettrici modulano la portante ottica con una differenza di fase di π/2 utilizzando modulatori Mach-Zehnder separati e privi di chirp. Come passaggio preliminare alla ricombinazione dei due flussi ottici, la componente Q subisce un ulteriore sfasamento di π/2 per ottenere i quattro diversi stati di fase del segnale trasmesso. I canali dati I e Q possono essere attivati ​​o disattivati ​​indipendentemente, consentendo la generazione di segnali DPSK o DQPSK. Infine, un terzo modulatore Mach-Zehnder modella gli impulsi ottici in uscita per selezionare tra segnali NRZ o RZ. A titolo di esempio, la Figura 2 mostra il diagramma a occhio di un segnale RZ-DQPSK a 21,4 Gbit/s catturato con un ricevitore DPSK (SHF 47211A). La stessa azienda offre anche un'altra versione di un trasmettitore ottico DQPSK (SHF 46214A) in grado di raggiungere velocità fino a 100 Gbit/s, sebbene in questo caso si tratti di un segnale NRZ. Un altro esempio di modulatore è quello dell'azienda COVEGA. Si tratta di un modulatore (D)QPSK basato su due interferometri di Mach-Zehnder, che consente anche la generazione di segnali a portante soppressa a banda laterale singola (SSB-SC). L'aspetto di questo dispositivo è visibile nella Figura 3.

Inoltre, l'utilizzo di strutture a microanello risonanti è stato recentemente proposto per la realizzazione di modulatori e demodulatori DPSK. Finora, tali dispositivi erano stati impiegati per costruire modulatori di intensità, commutando la potenza ottica in uscita tra gli stati "acceso" e "spento" mediante lo spostamento del picco di risonanza della cavità. Questo spostamento può essere ottenuto variando la densità dei portatori e, di conseguenza, l'indice di rifrazione dell'anello, applicando una determinata tensione elettrica o iniettando portatori.

 

Il raggio dell'anello è tipicamente dell'ordine dei micron e il fattore di qualità della cavità è di circa 10.000. Il principio di funzionamento di base è spiegato di seguito. Quando il picco di risonanza si sposta, il segnale ottico a onda continua può subire una variazione di fase fino a p radianti lungo la regione centrale del profilo di fase, come mostrato in Figura 4. L'unica precauzione da prendere è che entrambi gli stati di fase forniscano la stessa potenza di uscita per tutta la durata del bit, ottenendo così la modulazione NRZ-DPSK. In ogni caso, si verificheranno cali di potenza durante le transizioni di bit a causa della risposta risonante della cavità, oltre a variazioni di frequenza causate dai rapidi cambiamenti di fase. Fortunatamente, poiché entrambi gli effetti si verificano simultaneamente, il problema è minimizzato.
Ora, se l'obiettivo è demodulare un segnale DPSK, è possibile utilizzare una struttura molto simile a quella mostrata in Figura 5. La differenza principale risiede nella presenza di una nuova guida d'onda posizionata simmetricamente rispetto alla precedente. In questo caso, la struttura risonante funge da filtro passa-banda, producendo due tipi di segnali alle due porte del dispositivo:
DB (duobinario) e AMI (inversione a marcatura alternata). Entrambi i segnali, DB e AMI, vengono quindi fotorilevati individualmente e combinati elettronicamente per ottenere un rivelatore bilanciato per i segnali DPSK. I demodulatori DPSK disponibili in commercio funzionano in modo simile, sebbene in quel caso il demodulatore utilizzi tipicamente un interferometro basato su linea di ritardo.
Infine, vale la pena notare che Kylia ha recentemente lanciato una nuova linea di demodulatori DPSK ultraveloci, il cui attuatore piezoelettrico garantisce una costante di tempo di 0,1 s per compensare le variazioni molto rapide nella frequenza del segnale, rispetto ai 5 s offerti dalla concorrenza.

Convertitori di formato.
In futuro, il crescente utilizzo della modulazione DPSK nelle reti ottiche richiederà la coesistenza di diversi formati di modulazione, rendendo comune la conversione dei segnali tra di essi. Tuttavia, con l'aumento della velocità di trasmissione dei segnali, cresce l'interesse nell'eseguire questi cambi di formato all'interno del dominio ottico, evitando qualsiasi processo di conversione o demodulazione optoelettronica. La ricerca in questo campo è in corso da diversi anni e sono state proposte diverse architetture di convertitori di formato di modulazione. Di seguito,
esamineremo un esempio di una di queste architetture. Nello specifico, si tratta di un convertitore online OOK/DPSK interamente ottico, in grado di gestire segnali ad alta velocità.

L'architettura di questo convertitore è mostrata in Figura 6 (C. Schmidt et al., ECOC'06). L'elemento chiave è una fibra altamente non lineare (HNLF) lunga 630 m, il cui funzionamento è semplice. Gli impulsi dati OOK che arrivano al convertitore inducono sfasamenti su un treno di impulsi generato localmente (LPT) a una diversa lunghezza d'onda, ottenuta dal segnale di clock recuperato. Un valore logico "1" nel segnale OOK produce uno sfasamento non lineare di XPM. In uscita, un filtro ottico rimuove la lunghezza d'onda in ingresso. È importante notare che il funzionamento di questo convertitore inverte la logica del segnale, quindi sarà necessario un decodificatore all'estremità ricevente. Il convertitore è stato testato con successo nei laboratori HHI utilizzando segnali RZ-OOK a 160 Gbit/s su collegamenti in fibra fino a 320 km, il che suggerisce un futuro promettente per questo tipo di architettura.

 

Maggiori informazioni o un preventivo

 

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