Interleaver

Al fine di aumentare il rate di ripetizione degli impulsi di segnale all’ingresso del campionatore è stato utilizzato un interleaver 40:640.

Si tratta di un dispositivo passivo, ricavato su una basetta di silicio delle dimensioni di 8 per 35,7 mm, su cui sono disegnate delle piste in silice (ossido di silicio) che si comportano come guide d’onda. Il segnale luminoso al suo ingresso viene diviso in potenza e le repliche risultanti vengono fatte propagare attraverso cammini ottici di lunghezza differente. Infine le repliche vengono accoppiate.

Il risultato di questa operazione su di un segnale impulsato è quello di incrementare il rate di ripetizione degli impulsi, oltre che di attenuare la potenza degli stessi, come mostrato in fig 4.23.

La figura 4.23 mostra anche il layout fisico dell’ interleaver. Si noti come siano presenti diversi ingressi e diverse uscite e come il dispositivo sia composto da 4 stadi di ritardo-accoppiamento.

Ogni stadio compie sul segnale al suo ingresso l’operazione sopra descritta ed è raggiungibile in più di un modo: passando per un apposito ingresso oppure attraversando uno o più stadi precedenti.

A seconda di come lo si utilizza, scegliendo cioè un particolare ingresso ed una particolare uscita, l’interleaver aumenta il rate del segnale d’ingresso secondo proporzioni e modi differenti.

La dicitura 40:640, che caratterizza il dispositivo usato in questi esperimenti, sta ad indicare che, utilizzando l’ingresso e l’uscita principali (evidenziate in rosso in figura 4.23) e accoppiando ad esso un segnale a 40 Gb/s, l’uscita ha un rate di 640 Gb/s.

La tabella 4.1 elenca i valori espressi in ps dei ritardi introdotti da ognuno degli stadi e li mette in relazione con il rate di ripetizione corrispondente.

ATT ATT ODL ODL ATT ATT ODL ODL ATT ATT ODL ODL Ultra short pulse source Ultra short pulse source

ATT: optical attenuator ODL: optical delay line

ATT ATT ODL ODL ATT ATT ODL ODL ATT ATT ODL ODL Ultra short pulse source Ultra short pulse source

ATT: optical attenuator ODL: optical delay line

ATT ATT ODL ODL ATT ATT ODL ODL ATT ATT ODL ODL Ultra short pulse source Ultra short pulse source

ATT: optical attenuator ODL: optical delay line

Fig.4.23: Struttura ottica dell’interleaver.

STADIO RITARDO [ps] RATE [Gb/s]

1 12.5 80

2 6.25 160

3 3.12 320

4 1.52 640

Tab. 4.1: Ritardi nell’interleaver.

Le figura 4.24 e 4.25 chiariscono il funzionamento dell’interleaver mostrando schematicamente l’andamento dei segnali in ingresso ed in uscita al dispositivo. Le frecce rappresentano gli impulsi dei segnali impulsati e frecce di uguale colore presentano una relazione di “parentela”, nel senso che per ogni impulso, a seconda del colore è possibile individuare quali sono gli impulsi all’ingresso dello stadio precedente di cui è la replica e quali impulsi sono una sua replica all’uscita dello stadio successivo. In entrambe le figure si fa riferimento all’utilizzo del dispositivo tramite l’ingresso principale e si ignorano

Risultati sperimentali

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Fig. 4.24: Ingresso/uscite 40 : 640

Se all’ingresso viene posto un segnale con un rate di 40 Gb/s, le uscite di ogni stadio presentano impulsi equispaziati tra di loro con un rate pari a 80, 160, 320 e 640 Gb/s, come mostra la figura 4.24.

Se invece il segnale d’ingresso ha un rate di 10 Gb/s, come negli esperimenti effettuati, la situazione cambia: gli impulsi in uscita degli stadi non sono più equispaziati tra di loro, ma risultano essere raggruppati. La figura 4.25 illustra questa situazione. Si nota come le uscite siano impulsate, presentino ancora dei rate costanti, ma come gli impulsi si presentino a burst invece che con continuità.

Tutto ciò si può sintetizzare considerando che un segnale a 10 Gb/s si può interpretare come uno a 40 Gb/s decimato con un rate di ¼ . L’interleaver moltiplica per 2n (con n numero dello stadio) il rapporto di decimazione. In figura 4.25 gli impulsi soppressi dalla decimazione “virtuale” sono rappresentati in grigio.

Come il segnale a 10 Gb/s in ingresso è inteso come un segnale a 40 Gb/s decimato con un rate di 1/4 , così i segnali in uscita ai vari stadi sono visti come segnali decimati.

La tabella 4.2 riassume la situazione relativa ad un ingresso a 10 Gb/s, riportando i valori dei rapporti di decimazione e integrando la tabella 4.1.

STADIO RITARDO [ps] RATE [Gb/s] DEC. 1 12.5 80 2/8 2 6.25 160 4/16 3 3.12 320 8/32 4 1.52 640 16/64 Tab. 4.2: Ingresso/uscite 40 x 1/4 : 640 x 16/64.

Risultati sperimentali

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I segnali “multiplexati” a rate maggiore di 10 Gb/s impiegati nel test del campionatore sono tutti segnali di questo tipo, in cui cioè gli impulsi non si presentano in maniera continua ma a pacchetti.

Allineamento

L’utilizzo dell’interleaver necessita di una fase preliminare di allineamento, in quanto il dispositivo non è fornito delle fibre che convogliano i segnali d’ingresso e di uscita. Come mostra la figura 4.26, le fibre standard utilizzate nella trasmissione dei segnali devono essere poste in corrispondenza degli ingressi e delle uscite del dispositivo ed allineate con precisione.

In Out I2 O1 I3 O2 O3 I4 O4 I1 SMF Fiber Index Matching Liquid SMF Fiber Index Matching Liquid Fig. 4.26: Allineamento.

Questa operazione è tutt’altro che banale e prevede una serie di accorgimenti. Il primo è l’utilizzazione di un banco di laboratorio adatto all’allineamento in aria con precisione micrometrica. Si tratta di un banco montato su appositi cuscinetti ad aria pressurizzata per isolarlo dalle vibrazioni del terreno, dotato di un sistema di posizionamento estremamente preciso e di un microscopio che permette di gestire, attraverso l’uso di un visore, dispositivi estremamente piccoli.

Il secondo accorgimento è adottato in fase di costruzione dell’interleaver. come si nota nella figura 4.23, le pareti laterali della basetta di silicio sono

inclinati rispetto all’asse della fibra in modo da evitare che eventuali riflessioni rientrino nella fibra stessa.

Infine è opportuno rendere graduale il passaggio dall’indice dei rifrazione della fibra a quello delle guide in silice e viceversa utilizzando un liquido posto tra fibre e dispositivo e avente un indice di rifrazione pari a circa 1.4. La distanza ottimale a cui porre le fibre va da 0.5 a 2 µm.

Una volta montato sul banco, attraverso un microscopio collegato ad un visore, si avvicina quanto più possibile la fibra all’ingresso del dispositivo. Successivamente occorre manovrare il sistema di posizionamento fino ad ottenere il passaggio della massima potenza ottica attraverso il dispositivo quando alla fibra che lo alimenta è accoppiato un segnale costituito esclusivamente da rumore ASE proveniente, ad esempio, da un amplificatore EDFA.

Attraverso l’utilizzo di una IR Sensor Card, ovvero di una carta rivestita di un materiale sensibile alla radiazione infrarossa, è possibile posizionare correttamente la fibra in ingresso all’interleaver, come mostrato in figura 4.27. Per posizionare quella in uscita invece, la si avvicina all’uscita prestabilita (sempre con l’aiuto del visore) e si manovra il sistema di posizionamento fin quando si misura il massimo di potenza accoppiata (attraverso un power meter).

L’ultima fase del posizionamento prevede la misurazione dello spettro ottico sulla fibra in uscita.

Le frange di interferenza presenti in uscita, dovute al particolare percorso che il segnale di rumore compie all’interno delle piste guide d’onda, danno luogo ad uno spettro caratteristico che, quando il dispositivo è correttamente allineato, ha un andamento come quello mostrato in figura 4.28 (riferita all’uscita 4, vedi Figura 4.26).

Risultati sperimentali

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Fig. 4.27: IR Sensor Card.

Fig.4.28: Spettro ottico riferimento del segnale in uscita all’interleave nel caso di allineamento corretto (con in ingresso ASE di un amplificatore ottico).

Le figure 4.29 e 4.30 mostrano gli spettri ottenuti alle uscite 3 e 4 rispettivamente.

Risultati sperimentali

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Set-up

L’introduzione dell’interleaver per la generazione di segnali ad elevato rate modifica lo schema del set-up come mostrato in figura 4.31. La parte relativa alla generazione degli impulsi di campionamento resta invariata.

Pulse Compressor EDFAHNLF SMF Pulse Source EDFA EDFA Pulse Compressor EDFAHNLF SMF Pulse Source

EDFA EDFAEDFAEDFA

Fig. 4.31: Set-up per la generazione di impulsi a rate elevato.

Gli impulsi generati dalla sorgente, dopo la compressione, vengono “multiplexati” dall’interleaver, amplificati da un EDFA che compensa l’attenuazione d’inserzione del dispositivo (dovute principalmente all’allineamento), ed infine utilizzati come ingresso del campionatore ottico implementato.