Nell'articolo precedente di questa serie, abbiamo discusso la necessità di ripristinare la qualità dei segnali che si propagano attraverso i collegamenti in fibra ottica, presentando i principi di base della rigenerazione 3R. Ora, approfondiremo alcune tecniche e tecnologie che hanno dimostrato sperimentalmente la loro idoneità come componenti chiave dei futuri rigeneratori ottici 3R. In particolare, questo articolo esaminerà i sottosistemi di recupero del clock basati su un filtro Fabry-Pérot, un PLL o un laser autopulsante. Questi sottosistemi, in combinazione con SOA-MZI, modulatori ad elettroassorbimento o amplificatori ottici a semiconduttore, consentono la realizzazione di rigeneratori 3R ad alta velocità.
Modulazione sincrona e recupero del clock basati su un filtro Fabry-Pérot.
La modulazione sincrona si basa sull'utilizzo di tecniche optoelettroniche o puramente ottiche per rimodellare il segnale di clock recuperato. Lo schema a blocchi del sistema è visibile in Figura 1. Due interferometri di Mach-Zehnder attivi in cascata (SOA-MZI) vengono utilizzati per modellare gli impulsi ottici che saranno successivamente rimodellati dal segnale di clock. In questo caso, viene impiegato il recupero elettronico del clock, poiché questo segnale deve alimentare l'ingresso RF di un modulatore elettro-ottico di Mach-Zehnder. Ciò, ovviamente, limita la velocità di trasmissione massima a cui il rigeneratore può operare. Per dimostrare la fattibilità della tecnica, sono stati condotti esperimenti su un collegamento ottico a ricircolo costituito da due segmenti di fibra LEAF con una lunghezza totale di 125 km (65 + 60 km) e fibre di compensazione. I risultati a 10 Gbit/s nella Figura 1 mostrano prestazioni eccellenti fino a distanze di 400.000 km (Z. Zhu et al, JLT, vol. 25, n. 2, pp. 504-510), soprattutto se confrontati con le misurazioni effettuate senza rigenerazione (1R, semplice amplificazione).
L'elemento chiave di questo rigeneratore è il circuito di recupero del clock (CR). Sebbene sia necessario un segnale elettrico per alimentare il modulatore Mach-Zehnder, è chiaramente auspicabile che il recupero del clock venga effettuato mediante metodi ottici. A tale scopo, è stato proposto l'utilizzo di filtri Fabry-Pérot. Questi filtri sono caratterizzati da una risposta periodica a banda stretta attraverso la quale è possibile estrarre le componenti di frequenza del clock dallo spettro del segnale. Questo sottosistema di recupero del clock è costituito da un filtro Fabry-Pérot e da un amplificatore ottico a guadagno saturo (SOA) (Figura 2). Come requisito di progettazione, l'intervallo spettrale libero (FSR) del filtro deve corrispondere alla frequenza di ripetizione del segnale dati, come rappresentato schematicamente in Figura 2. Occorre inoltre prestare attenzione alla potenziale deriva di frequenza nella risposta del filtro dovuta a variazioni di polarizzazione del segnale ottico in ingresso. Utilizzando il controllo della temperatura del dispositivo, le variazioni di ampiezza dovute a cambiamenti di polarizzazione possono raggiungere fino a 6 dB. Poiché il segnale di clock recuperato dal filtro Fabry-Pérot può presentare variazioni di ampiezza dipendenti dalla struttura dei dati, soprattutto in presenza di lunghe sequenze di zeri, viene utilizzato un SOA a saturazione che riduce tali variazioni limitando l'amplificazione.
Rigenerazione tramite modulatori ad elettroassorbimento.
I convertitori di lunghezza d'onda basati sull'utilizzo di modulatori ad elettroassorbimento (EAM) possono rappresentare un'ottima soluzione per la progettazione di rigeneratori ottici. In questo caso, il vantaggio risiede in una dipendenza dalla polarizzazione del segnale di ingresso inferiore a 1 dB, grazie alle caratteristiche del dispositivo EAM. Poiché l'architettura del rigeneratore utilizza questi convertitori di lunghezza d'onda, è opportuno iniziare descrivendone il funzionamento. Il convertitore di lunghezza d'onda presenta due ingressi per il segnale dati, ls, e per la lunghezza d'onda continua, lp, nonché una porta di uscita per il segnale convertito, come mostrato in Figura 3. Il segnale di ingresso deve avere un livello di potenza sufficiente a indurre un effetto di saturazione incrociata dell'assorbimento. In questo modo, i due segnali che si propagano attraverso l'EAM interagiscono e l'onda continua viene modulata dai dati di ingresso che circolano in contropropagazione. In presenza di livelli di dati elevati, l'EAM si satura e l'onda continua attraversa il dispositivo con perdite minime. Al contrario, a bassi livelli di dati, il dispositivo smette di saturarsi e l'onda continua subisce una maggiore attenuazione. Pertanto, la modulazione dell'onda continua dipende direttamente dal pattern del segnale dati. A differenza del processo di modulazione a guadagno incrociato negli SOA, in questo caso il segnale convertito in lunghezza d'onda non viene invertito. Il circolatore viene utilizzato per estrarre il segnale convertito in lunghezza d'onda, mentre il filtro ottico elimina eventuali riflessioni indesiderate nell'EAM.
Come mostrato in Figura 4, il rigeneratore ottico impiega due convertitori di lunghezza d'onda (WC) come quello mostrato in Figura 3. Il primo converte il segnale di ingresso, ls, in una diversa lunghezza d'onda, lp, al fine di duplicare i dati. Il secondo convertitore ripristina quindi la lunghezza d'onda iniziale, ls. Questa configurazione a cascata evita effetti di diafonia nell'EAM, garantendo al contempo che il segnale venga trasmesso esattamente alla stessa lunghezza d'onda del 
segnale originale, il che è utile anche per prevenire il blocco di lunghezza d'onda nei nodi di rete. Il segnale di clock viene recuperato elettronicamente utilizzando un fotorivelatore a banda larga, un filtro altamente selettivo (alto fattore di qualità Q) e un circuito PLL agganciato alla metà della frequenza di clock, in questo caso 20 GHz. Sebbene gli schemi di recupero ottico siano preferibili, questo tipo di circuito funziona correttamente anche per velocità di trasmissione di 40 Gbit/s (T. Otani et al., JLT, vol. 20, n. 2, pp. 195–200). Per ottenere la rigenerazione 3R, il segnale viene ricampionato nel secondo convertitore di lunghezza d'onda utilizzando il clock recuperato. Per stabilizzare il funzionamento, la larghezza dell'impulso del segnale di ingresso può essere aumentata utilizzando una fibra ad alta birifrangenza, che facilita la sincronizzazione tra il segnale di ingresso e il clock. Come accennato in precedenza, non è necessario alcun complesso sistema di controllo della polarizzazione, grazie alla bassa sensibilità degli EAM.
Rigenerazione basata su laser autopulsanti.
I laser autopulsanti sono stati utilizzati in vari esperimenti come elementi di recupero del clock. Come suggerisce il nome, si tratta di laser pulsati la cui cavità è progettata per risuonare alla frequenza di ripetizione desiderata, in modo che, quando viene iniettato il segnale dati, generi un treno di impulsi (segnale di clock). La Figura 5 mostra una possibile configurazione implementata con due sezioni DFB e una sezione centrale di controllo di fase. Il dispositivo è chiamato laser PhasCOMB (C. Bornholdt et al., ECOC'01, Th.F.1.2). Le due sezioni DFB sono sintonizzate su diverse lunghezze d'onda, generando due modi sovrapposti nella cavità, con conseguente battimento a una frequenza diversa da quella dei due modi. Affinché il dispositivo funzioni correttamente, è essenziale il controllo di fase nella sezione laser centrale. Questo schema di recupero del clock può operare ad alte velocità, essendo stato dimostrato a 80 GHz e frequenze superiori.
Il suo utilizzo nelle applicazioni di rigenerazione ottica può essere semplice come l'aggiunta di un amplificatore autoalimentato (SOA) e di un laser a onda continua al sistema. La Figura 5 mostra lo schema a blocchi di un possibile rigeneratore 3R. Il laser autopulsante viene utilizzato per il recupero del clock e la sua uscita, insieme al segnale dati e a un segnale a onda continua, viene applicata a un SOA che opera in modalità non lineare come convertitore di lunghezza d'onda. All'interno di questo amplificatore, il segnale dati viene trasferito sul segnale a lunghezza d'onda continua (CW), eliminando gli altri segnali mediante un filtro ottico. Questa è quindi una soluzione semplice ed economica per la rigenerazione ottica di segnali ad alta velocità.
In questo articolo, abbiamo analizzato diverse possibilità per lo sviluppo di rigeneratori ottici 3R. Sono stati forniti esempi sia di tecnologie optoelettroniche che di dispositivi fotonici. Tutti sono caratterizzati dalla loro capacità di operare ad alta velocità. Nel prossimo articolo, completeremo l'analisi con diverse configurazioni aggiuntive.
Maggiori informazioni o un preventivo
Francisco Ramos Pascual. Dottore di ricerca in Ingegneria delle Telecomunicazioni.
Professore ordinario presso il Politecnico di Valencia.
