Pertanto, per garantire la qualità del servizio attesa dall'utente, sono necessarie procedure di misurazione e caratterizzazione per i dispositivi e i sottosistemi ottici DWDM, nonché analisi dei parametri operativi della rete ottica. Questo articolo analizzerà i principali parametri e le procedure di misurazione per i dispositivi ottici DWDM, rimandando l'analisi dei parametri operativi e delle principali apparecchiature di misurazione nelle reti ottiche DWDM a un articolo successivo.
Misurazioni di prova sui dispositivi DWDM
Nell'analisi della qualità dei componenti ottici, sia per la ricerca e sviluppo, sia per le linee di produzione o la manutenzione, test di misurazione completi e rigorosi sono fondamentali. Pertanto, i progettisti e gli ingegneri di prodotto devono possedere una conoscenza approfondita dei processi di misurazione dei parametri ottici chiave dei componenti, nonché dell'interpretazione dei risultati delle misurazioni. Di seguito verranno brevemente illustrati i principali parametri ottici misurabili in un dispositivo DWDM.
perdite di inserzione
Come per qualsiasi dispositivo elettronico, la perdita di inserzione si riferisce alla differenza tra la potenza (in questo caso, ottica) che entra nel dispositivo e quella che ne esce. Idealmente, questo valore dovrebbe essere il più piccolo possibile. È definito per una specifica lunghezza d'onda del segnale ottico. Pertanto, nel caso dei dispositivi DWDM, è necessario specificare questo valore per tutte le lunghezze d'onda dei canali operativi. È importante notare che la perdita di inserzione è definita per i dispositivi DWDM passivi come filtri, accoppiatori o multiplexer, mentre per i dispositivi attivi, come gli amplificatori ottici, è definito il guadagno, ovvero il suo inverso.
Il produttore in genere fornisce un grafico delle perdite del dispositivo in funzione della lunghezza d'onda del segnale ottico per l'intera larghezza di banda in cui il componente è destinato ad essere utilizzato. Questo grafico specifica le lunghezze d'onda dei canali DWDM secondo la griglia ITU (Unione Internazionale delle Telecomunicazioni), insieme alla tolleranza consentita a causa delle variazioni della lunghezza d'onda del trasmettitore. Il modo migliore per definire la perdita di inserzione è quindi quello di fare riferimento alla perdita più elevata (scenario peggiore) all'interno del canale ITU pertinente. Ad esempio, la Figura 1 mostra questi parametri per un filtro di canale DWDM. Infine, quando si specifica la perdita di inserzione, è importante sapere se il dispositivo è stato misurato con o senza connettori.
Riccio
Come mostrato in Figura 1, la banda passante di un dispositivo DWDM non è perfettamente piatta. Il valore della perdita di inserzione riflette le perdite del dispositivo a una data lunghezza d'onda, ma non fornisce alcuna informazione sulla variazione di queste perdite lungo la banda passante o il canale ITU. Pertanto, è stato definito il parametro di ondulazione per caratterizzare questa variazione con la lunghezza d'onda. L'ondulazione è definita come la differenza tra la perdita di inserzione massima e minima sulla banda passante, come mostrato in Figura 1. Conoscere il valore dell'ondulazione permette di stimare le potenziali variazioni della potenza ottica trasmessa e di verificare se il dispositivo soddisfa le specifiche di progetto. Nella maggior parte dei dispositivi, valori elevati di ondulazione sono inaccettabili.
Un altro parametro direttamente correlato è la pendenza massima dell'ondulazione. In questo caso, si riferisce alla variazione della potenza del canale risultante da piccole variazioni della lunghezza d'onda del trasmettitore. Viene specificata in unità di dB/nm e il suo valore può rendere un dispositivo inadatto anche se presenta basse perdite di inserzione e di ondulazione.
Larghezza di banda
La larghezza di banda di un dispositivo ottico, come per qualsiasi componente elettronico, è definita come la larghezza spettrale per la quale la risposta del dispositivo supera un certo valore (tipicamente -3 dBm del suo valore massimo o FWHM, vedi Figura 1). Per definire la larghezza di banda, è essenziale specificare questa soglia, con valori tipici pari a 0,5, 1, 3 o 20 dB al di sotto del massimo. La larghezza di banda di un dispositivo ha due scopi. In primo luogo, identifica l'intervallo spettrale in cui il dispositivo presenta valori di perdita accettabili (intorno a 0,5 o 1 dB), ovvero quella che viene chiamata banda passante di un multiplexer, ad esempio. In secondo luogo, definisce la selettività o la pendenza di attenuazione di un filtro, ad esempio. In questo caso, viene utilizzato il valore della larghezza di banda a -20 dB. Pertanto, un filtro rettangolare ideale avrà valori di larghezza di banda identici a -0,5, -3 e -20 dB. I produttori stanno iniziando a utilizzare un nuovo parametro noto come figura di merito (FOM) per descrivere la forma della risposta di un filtro. Questo parametro è definito come:
FOM = larghezza di banda a -3 dB
Larghezza di banda a -20 dB
Idealmente, il FOM sarà pari a 1 e, in generale, i filtri di ordine superiore avranno una banda di transizione più netta e un valore FOM più vicino all'unità.
lunghezza d'onda centrale
La lunghezza d'onda centrale viene comunemente utilizzata per descrivere un canale di multiplexer ed è definita come il punto medio tra le lunghezze d'onda di taglio superiore e inferiore della banda passante (quelle in corrispondenza delle quali le perdite aumentano di 3 dB). Non necessariamente coincide con la lunghezza d'onda di picco (la lunghezza d'onda di perdite minime). Tuttavia, per un dispositivo con una risposta perfettamente simmetrica, entrambe le lunghezze d'onda coincidono. La lunghezza d'onda centrale viene solitamente calcolata come il punto medio tra le lunghezze d'onda in corrispondenza delle quali si ottengono perdite di 3 dB.
Direttamente correlata a questo parametro è la lunghezza d'onda nominale, che corrisponde alla lunghezza d'onda operativa del dispositivo e si trova tipicamente nella griglia ITU. Il trasmettitore ottico opererà in prossimità di questa lunghezza d'onda entro una certa tolleranza; pertanto, questo è un altro parametro importante da misurare nel caso di trasmettitori laser per sistemi DWDM. La lunghezza d'onda di uscita dei laser è soggetta a deriva termica, che deve essere rigorosamente controllata (vedere CONECtrónica n. 40, pp. 14-16).
Perdite di ritorno ottico
Quando la luce viene iniettata in un componente ottico, la maggior parte della potenza ottica viene trasmessa, ma una piccola frazione viene anche assorbita o riflessa. La potenza ottica riflessa è un effetto indesiderato per diverse ragioni. In primo luogo, contribuisce ad aumentare le perdite. In secondo luogo, i trasmettitori laser per DWDM sono molto sensibili alla luce riflessa, poiché le riflessioni indesiderate possono degradare la stabilità del laser o il rapporto segnale/rumore del sistema. In alcuni casi, le riflessioni possono persino danneggiare il dispositivo stesso. Inoltre, la luce riflessa può essere riflessa nuovamente, combinandosi con il segnale originale e causando interferenze multipath che portano a problemi di demodulazione. Infine, le riflessioni all'interno di un EDFA, soprattutto alle estremità opposte del blocco di guadagno, contribuiscono a peggiorare il livello di rumore dell'amplificatore.
Nei sistemi a fibra ottica, le riflessioni sono causate dalla diffusione di Rayleigh e dalle riflessioni di Fresnel. La diffusione di Rayleigh si verifica all'interno delle fibre ottiche a causa delle interazioni tra le onde luminose e le molecole del cristallo. L'intensità della diffusione dipende dalla lunghezza d'onda del segnale e dalla composizione del cristallo. I valori tipici si aggirano intorno a -70 dB/m. Le riflessioni di Fresnel, invece, si verificano in punti discreti dove compaiono discontinuità, come all'interno di connettori o adattatori. Queste riflessioni sono il risultato di intercapedini d'aria, disallineamenti o variazioni dell'indice di rifrazione.
La perdita di ritorno è un valore positivo in dB, poiché si riferisce all'attenuazione dell'onda riflessa rispetto all'onda incidente (potenza incidente divisa per potenza riflessa), mentre le riflessioni sono quantificate con un valore negativo in dB (potenza riflessa divisa per potenza incidente). Valori elevati di perdita di ritorno sono generalmente desiderabili, sebbene esistano dispositivi in cui si verifica il contrario, poiché in questo caso la riflessione è il fenomeno desiderato. Alcuni esempi di tali dispositivi sono i reticoli di Bragg e gli specchi. La configurazione sperimentale per la misurazione della perdita di ritorno ottica è piuttosto semplice ed è mostrata in Figura 2. Il fotorivelatore misura direttamente la potenza ottica riflessa dal dispositivo in prova (DUT). Tuttavia, è necessaria una calibrazione preliminare del sistema utilizzando un DUT con un valore noto.
Nei dispositivi DWDM, la perdita di ritorno deve essere misurata per tutte le lunghezze d'onda di interesse. Ciò può essere fatto in due modi diversi: utilizzando una sorgente ottica sintonizzabile o una sorgente ASE (emissione spontanea amplificata) a banda larga. Nel caso di un multiplexer, le misurazioni devono essere effettuate a ciascun ingresso, il che rende il processo di misurazione difficile da automatizzare per dispositivi con un elevato numero di canali.
Trasportabilità
Il parametro di direttività di un dispositivo fotonico multi-ingresso è una misura dell'isolamento tra i suoi ingressi. Questo parametro è particolarmente importante nei multiplexer, dove, come accennato in precedenza, è necessario minimizzare le riflessioni verso i trasmettitori del sistema. Spesso, è sufficiente misurare la direttività solo per pochi canali. La configurazione è molto simile a quella mostrata in Figura 2. L'unica differenza è che la sorgente ottica viene applicata a uno degli ingressi del multiplexer e il ricevitore ottico misura la potenza riflessa attraverso ciascuno degli altri ingressi. La direttività è quindi la differenza in dB tra la potenza ottica iniettata e la potenza ottica misurata. Per dispositivi con un elevato numero di canali, anche questa misurazione risulta difficile da automatizzare.
Isolamento del canale e diafonia
Questi parametri di misura sono piuttosto tipici nel caso di multiplexer DWDM e filtri di canale. L'isolamento si riferisce alla reiezione della potenza di uno specifico canale rispetto a un altro. La Figura 3 rappresenta schematicamente il parametro di isolamento nei dispositivi DWDM. La diafonia, d'altra parte, è definita in modo simile, ma si riferisce alla reiezione della potenza di tutti gli altri canali rispetto a un dato canale.
effetti dipendenti dalla polarizzazione
Come discusso in precedenza (vedi CONECtrónica n. 48), è praticamente impossibile controllare lo stato di polarizzazione di un segnale che viaggia attraverso una rete in fibra ottica. Questo fatto, unito al fatto che molti componenti fotonici presentano caratteristiche dipendenti dallo stato di polarizzazione del segnale in ingresso, rende necessaria la misurazione della dipendenza dalla polarizzazione di alcuni parametri del dispositivo per garantire prestazioni e funzionamento affidabili. I principali parametri dipendenti dalla polarizzazione sono la perdita di inserzione, la larghezza di banda e la lunghezza d'onda centrale. Ciascuno di questi parametri deve essere misurato a diversi stati di polarizzazione utilizzando un controllore di polarizzazione. Sebbene idealmente dovrebbero essere misurati per tutti i possibili stati di polarizzazione, in pratica sono sufficienti alcuni casi casuali.
Le principali misurazioni tipicamente effettuate sono le perdite dipendenti dalla polarizzazione e le perdite dipendenti dalla lunghezza d'onda. Le prime si riferiscono alla variazione delle perdite del dispositivo per diversi stati di polarizzazione. Sommate alle perdite di inserzione, forniscono la perdita nel caso peggiore per un componente a una data lunghezza d'onda (di solito la lunghezza d'onda operativa nominale). A seconda del dispositivo, le perdite dipendenti dalla polarizzazione possono essere misurate su uno specifico intervallo spettrale.
I dispositivi sono generalmente progettati per avere basse perdite dipendenti dalla polarizzazione. Tuttavia, esistono alcune eccezioni, come i polarizzatori. In genere, le perdite dipendenti dalla polarizzazione sono minime nella banda passante del dispositivo e maggiori ai bordi e nella banda di arresto. Alcuni produttori eseguono le misurazioni solo al centro del canale e ai bordi della banda passante. Valori inferiori a 0,1 dB in questa regione sono soddisfacenti per la maggior parte delle applicazioni.
Altri parametri di misura correlati alla polarizzazione sono la larghezza di banda dipendente dalla polarizzazione e la lunghezza d'onda centrale. Entrambi i parametri si riferiscono alle variazioni che si verificano nella risposta spettrale del dispositivo a seguito di cambiamenti nella polarizzazione del segnale in ingresso e possono essere misurati simultaneamente. Una tecnica di misurazione prevede la misurazione della perdita di inserzione e delle perdite dipendenti dalla polarizzazione in funzione della lunghezza d'onda del segnale e la loro rappresentazione grafica. L'inviluppo del grafico riflette i possibili valori di perdita per diversi stati di polarizzazione, dai quali è possibile estrarre le variazioni di larghezza di banda e lunghezza d'onda centrale negli scenari peggiori. Infine, un'altra alternativa di misurazione prevede l'utilizzo di un analizzatore di spettro ottico per eseguire diverse scansioni per molteplici stati di polarizzazione distinti.
Misurazione della risposta spettrale di un dispositivo
Come spiegato in precedenza, la determinazione di molti parametri dei dispositivi fotonici DWDM richiede la misurazione della risposta spettrale del dispositivo per ciascun canale ottico. Per questa misurazione sono possibili diverse configurazioni sperimentali, che analizzeremo di seguito. La scelta della configurazione dipende da fattori quali la risoluzione spettrale, la gamma dinamica e il numero di canali DWDM da misurare.
La prima configurazione può utilizzare una sorgente ASE a banda larga che genera una distribuzione di potenza sull'intera gamma di canali DWDM. Questa sorgente è collegata al DUT e la risposta del dispositivo viene misurata utilizzando un analizzatore di spettro ottico. L'analizzatore di spettro sarà stato precedentemente calibrato misurando lo spettro di uscita della sorgente ASE. La configurazione sperimentale è mostrata in Figura 4. La principale limitazione di questa tecnica è che la risoluzione di misurazione è determinata dalla larghezza di banda di risoluzione dell'analizzatore, che in genere è di circa 0,05 nm.
Per migliorare la risoluzione di misura, fondamentale per alcuni dispositivi DWDM, la sorgente ASE viene spesso sostituita con un laser sintonizzabile a larghezza di riga ridotta. In questo caso, la risoluzione è determinata dal passo di sintonizzazione del laser, raggiungendo valori fino a 0,001 nm con un'eccellente gamma dinamica. La misurazione prevede l'esecuzione di una scansione con l'analizzatore di spettro per ogni passo di sintonizzazione del laser. Il principale svantaggio di questa tecnica, tuttavia, è che richiede più tempo per eseguire la misurazione, soprattutto nel caso di dispositivi multicanale.
Un'altra alternativa prevede l'utilizzo di un laser sintonizzabile e di diversi misuratori di potenza ottica multicanale, come mostrato in Figura 5, ciascuno dei quali misura diversi canali DWDM del dispositivo in prova (DUT). In questo caso, la misurazione è indipendente dal numero di canali del dispositivo, con conseguenti misurazioni molto rapide. La risoluzione di misurazione è determinata dalla sorgente laser, mentre la gamma dinamica è determinata dal rumore di emissione spontanea della sorgente. È possibile ottenere valori di gamma dinamica di circa 60 dB. Questa tecnica può essere utilizzata anche per misurare la perdita di ritorno ottico e le perdite dipendenti dalla polarizzazione, modificando leggermente la configurazione mostrata in Figura 5.
Infine, per aumentare ulteriormente la velocità di misurazione, il laser sintonizzabile può essere utilizzato in modalità di scansione continua. La precisione della lunghezza d'onda è controllata con uno strumento di riferimento e, in genere, viene utilizzato simultaneamente un controllore di polarizzazione per misurare i parametri dipendenti dalla polarizzazione. In pratica, quest'ultima configurazione è generalmente preferita.
Autore: Francisco Ramos Pascual. Dottore di ricerca in Ingegneria delle Telecomunicazioni. Professore presso l'Università Politecnica di Valencia.
