Capitolo 4 REALIZZAZIONE DELLA PORTA LOGICA OTTICA RICONFIGURABILE

OTTICA RICONFIGURABILE

4.1 – Realizzazione della porta logica XNOR

Prima di giungere alla definitiva struttura della porta riconfigurabile, siamo partiti dall'ideazione di uno schema che realizzasse unicamente la funzione logica XNOR (detta anche EQUIVALENCE).

La porta logica ottica prevede solamente l’utilizzo di un singolo bulk SOA C.I.P. LS insensibile alla polarizzazione e di un filtro ottico.

Collegando in cascata due accoppiatori si riportano in ingresso al SOA tre segnali a tre differenti lunghezze d’onda: i due canali (di cui vogliamo effettuare la funzione logica) ed un terzo segnale di probe. Il segnale di probe ha lunghezza d’onda pari a quella della componente di FWM che i due canali generano. In uscita si preleva con il filtro ottico il segnale presente alla frequenza del segnale di probe.

Il funzionamento della porta è il seguente:

1. Quando entrambi i segnali di ingresso sono bassi (ingresso 00) il probe sperimenta il guadagno di piccolo segnale del SOA e ne esce amplificato; uscita alta (1).

2. Quando uno dei due segnali è alto (casi 01 e 10) il SOA è saturato ed il probe non viene amplificato a causa del fenomeno del XGM; uscita bassa (0).

3. Quando entrambi i segnali sono alti (ingresso 11) il probe non viene amplificato sempre a causa del XGM ma si genera una componente di FWM alla solita lunghezza d’onda; uscita alta (1).

Riassumiamo il funzionamento dello schema nella tabella di verità della porta logica indicando quale effetto del SOA viene sfruttato.

Canale 1

Canale 2

XNOR

Effetto

0 0 1

Segnale di probe amplificato

0 1 0

XGM sul segnale di probe

1 0 0

XGM sul segnale di probe

1 1 1

FWM+XGM sul segnale di probe

Tabella 4-1: Tabella di verità della funzione XNOR (EQUIVALENCE) ed effetti fisici sfruttati.

4.2 – Funzionamento con segnali ad onda continua

Come prima verifica del funzionamento della porta logica, abbiamo introdotto nel SOA i due segnali ed il segnale di probe utilizzando laser ad Onda Continua (Continuos Wave - CW). Lo schema implementato è il seguente.

Figura 4-2: Schema del banco di prova per le misure con segnali CW

Allo schema previsto inizialmente sono stati aggiunti due isolatori in ingresso ed in uscita al SOA, per limitare gli effetti di eventuali riflessioni di segnale indesiderate, e due controllori di polarizzazione.

I due controllori servono per regolare indipendentemente le polarizzazioni dei tre segnali. In particolare si è cercato di rendere parallele quelle dei due canali, per ottenere una componente di FWM maggiore, ed ortogonali quelle dei canali e del probe, in modo da ridurre l’interferenza di quest’ultimo con la componente di FWM che è alla stessa frequenza. Inizialmente abbiamo posto nello spettro i due canali separandoli di 3 nm. E’ stata scelta tale collocazione frequenziale per permettere l’utilizzo di segnali modulati, che hanno una banda larga, e per garantire il corretto funzionamento del filtro ottico nel prelevare la componente di interesse evitando problemi di interferenza e cross-talk con i canali stessi.

Per evidenziare la differenza tra la componente di FWM ed il probe abbiamo leggermente ridotto la sua lunghezza d’onda (λFWM =2λch1 - λch2 = 1546,78 nm). La potenza dei segnali ottici è stata stabilita in maniera da indurre nel SOA gli effetti non lineari opportuni (si spiega così la necessità di avere i canali ad alta potenza) tenendo conto delle caratteristiche precedentemente misurate.

Le potenze dei segnali in gioco sono riportate in tabella.

Lungh. d'onda Potenza

Canale 1 λch1 = 1549,78 nm Pch1 = 10 dBm

Canale 2 λch2 = 1552,78 nm Pch2 = 10 dBm

Probe λ_Probe = 1546,0 nm Pprb = -30 dBm / -40 dBm

FWM λ_FWM =2λ_ch1-λ_ch2=1546,78 nm -

Tabella 4-2: Potenza e lungh. d'onda dei segnali per il funzionamento in CW

Abbiamo registrato, osservando sull’analizzatore di spettro ottico l’uscita del SOA, il valore della potenza della componente di segnale ottico intorno a 1546 nm nelle varie condizioni di ingresso. Questi sono i risultati ottenuti con il Probe a potenza -30 dBm.

Ingresso 0 0 Uscita 1 Ingresso 0 1 Uscita 0

La tabella che riassume funzionamento della porta logica è la seguente.

Canale 1 Canale 2 Uscita

0 dBm 0 dBm -0,5 dBm Probe

0 dBm 10 dBm -29 dBm Probe

10 dBm 0 dBm -29 dBm Probe

10 dBm 10 dBm -15 dBm FWM e -30 dBm Probe

Tabella 4-3: Funzionamento della porta con potenza del probe -30 dBm

Nel caso di ingressi entrambi bassi il probe guadagna 30 dB portando ad uno sbilanciamento dell’uscita rispetto al caso di ingressi alti, in cui la componente di FWM non supera i -13 dBm. Poiché nel caso ideale vorremmo lo stesso livello di potenza per lo stesso livello logico abbiamo pensato di abbassare il livello di potenza segnale di probe a -40 dBm.

Ingresso 0 0 Uscita 1 Ingresso 0 1 Uscita 0

La tabella che riassume funzionamento della porta logica è la seguente.

Canale 1 Canale 2 Uscita

0 dBm 0 dBm -9,6 dBm Probe

0 dBm 10 dBm -37 dBm Probe

10 dBm 0 dBm -37 dBm Probe

10 dBm 10 dBm -13,7 dBm FWM e -39 dBm Probe

Tabella 4-4: Funzionamento della porta con potenza del probe -40 dBm

Le forti oscillazioni sul livello di rumore che si possono notare nelle figure scaricate dall’Analizzatore di Spettro Ottico (Optical Spectrum Analizer - OSA) sono dovute ad una cattiva qualità dell’emissione del modulo laser utilizzato.

Con questa configurazione e con questi posizionamenti dei canali nello spettro, la porta logica garantisce nel caso peggiore un rapporto di estinzione, calcolato come rapporto tra la potenza del livello logico alto e quello basso, di 15 dB.

Confrontando il livello di rumore d’ASE emesso dal SOA e il livello dei segnali di uscita possiamo calcolare un rapporto segnale rumore, nel caso peggiore, pari a :

SNR= Pout / PNoise = 23 dB

Con il livello di potenza del probe abbassato a -40 dBm si ha un maggiore bilanciamento dell’uscita nei due casi in cui essa è alto ma si perde in termini di rapporto segnale rumore che risulta calato, sempre nel caso peggiore, a 13 dB.

Ci possiamo dunque ritenere soddisfatti delle prestazioni ottenute.

Le prestazioni sono logicamente migliorabili avvicinando in frequenza i due canali, contribuendo così ad aumentare il FWM, ma con i filtri a disposizione risulterebbe poi problematica la separazione dell’uscita del SOA in vista anche del futuro funzionamento della porta ad alta velocità con segnali Return-to-Zero (RZ) che causa un intrinseco allargamento di banda.

4.3 – Funzionamento della porta logica con segnali modulati NRZ

Come passo successivo, abbiamo testato il funzionamento della porta con segnali ottici variabili nel tempo, modulati in ampiezza tramite un modulatore elettro-ottico.

Uno dei più diffusi modulatori per segnali ottici è quello che impiega una struttura interferometrica di tipo Mach-Zehnder [15, 20].

Figura 4-3: Schema del modulatore Mach-Zehnder

In assenza di tensione tra gli elettrodi A e B, i segnali nelle due guide d'onda miniaturizzate in LiNbO3 che costituiscono i due rami dell'interferometro si combinano in fase, restituendo in uscita il medesimo segnale presente all'ingresso prima della suddivisione (eccetto perdite di inserzione di entità pari all’insertion loss del componente). Quando ai contatti viene applicata un'opportuna tensione (qualche volt) i due cammini vengono a ricombinarsi in opposizione di fase, provocando la cancellazione del segnale. Lo sfasamento si verifica grazie alla proprietà del LiNbO3 di variare il proprio indice di rifrazione a seconda del campo elettrico in cui è immerso (effetto Pockel).

Tali dispositivi hanno dunque un ingresso a radiofrequenza per il segnale elettrico modulante e necessitano poi di una tensione di polarizzazione, detta tensione di bias, per fissare il punto di lavoro. Inoltre sono molto sensibili alla polarizzazione del segnale in ingresso. Giocando su queste ultime due variabili si cerca un punto di lavoro ottimale per cui il segnale ottico in uscita è nullo quando il segnale elettrico modulante è sul livello basso.

Questo è lo schema del setup utilizzato per le misure con i segnali modulati.

Figura 4-4: Schema del banco di prova per le il test della porta con segnali NRZ

Il segnale elettrico modulante proveniva dal Generatore di Sequenze Binarie (Binary Pattern Generator – BPG) Anritsu Pulse Pattern Generator. Questo strumento genera nel nostro caso un segnale onda quadra con frequenza massima 5 GHz (velocità di cifra 10 Gb/s).

I segnali impiegati in questi test sono dunque di tipo Non Return to Zero (NRZ).

Come si può notare, allo schema inizialmente previsto sono state eseguite ulteriori modifiche.

Il primo cambiamento che notiamo è l'aggiunta di un quarto segnale detto di pompa, che va a sommarsi agli altri tre all'interno del SOA.

L'introduzione di questo segnale è dovuta al fatto che il dispositivo a semiconduttore si presenta sensibile alla sequenza di pattern iniettata in ingresso. Infatti ponendo in ingresso un solo canale modulato, all'uscita del SOA si notavano forti distorsioni. In particolare, il livello basso del segnale non era stabile e cresceva nel tempo fino a giungere a metà dell'ampiezza dell'onda quadra. Questo fatto si può spiegare considerando che l'ingresso, sul livello basso, non era perfettamente nullo a causa di una non ottima modulazione, così il SOA, dopo il

forte svuotamento di portatori indotto dal livello alto, recuperava il guadagno e amplificava fino a 30 dB (guadagno di piccolo segnale).

Anche sul livello alto risultavano comunque distorsioni di rilevante entità dovute alle variazioni del guadagno nel tempo (SGM).

Si è reso necessario ricorrere alla pompa, che non è nient'altro che un segnale CW, per mantenere il SOA sempre in saturazione. In tali condizioni il dispositivo manifesta un minor tempo di recupero perché i segnali non causano più grosse variazioni della densità degli elettroni nella banda di valenza della zona attiva, garantendo così una minore dipendenza dell'uscita dalla particolare sequenza degli ingressi. Si ha ovviamente una riduzione del massimo guadagno che i segnali possono ottenere, ciò ci ha imposto di ricalibrare completamente le potenze dei segnali. Nello schema il segnale pompa, per ridurre il numero di accoppiatori ingresso che riducono la potenza dei segnali, è stato introdotto in configurazione contropropagante utilizzando un laser CW alla lunghezza d'onda λ = 1532,7 nm. Con questa particolare configurazione si ottengono vantaggi anche in termini di minori distorsioni e minori interferenze tra segnali e pompa.

Un altro elemento utilizzato è una linea di ritardo ottica variabile (da 0 a 300 ps) che serve per regolare la sfasamento tra i due canali all'ingresso del SOA. In questo modo possiamo ricreare due sequenze apparentemente diverse da porre in ingresso alla porta.

Altri due elementi aggiunti sono amplificatori ottici EDFA, utilizzati per incrementare il livello dei segnali in ingresso al dispositivo, inizialmente troppo bassi per generare FWM. Per ridurre il rumore introdotto dagli amplificatori abbiamo filtrato i canali con filtri ottici molto selettivi (ampiezza di banda 0,3 nm). Purtroppo tali filtri non sono accordabili, si è reso perciò indispensabile cambiare le lunghezze d'onda dei vari segnali. Anche la separazione frequenziale è stata ridotta a 2,4 nm.

Si riportano in tabella 4-5 le lunghezze d’onda dei vari segnali.

λ

1532,7 nm

λ

1549,3 nm

λ

1551,7 nm

λ

1546,9 nm

La potenza media dei vari segnali è stata scelta cercando di ottimizzare l'uscita. Il probe a la pompa sono due segnali CW, mentre i due canali sono onde quadre con duty cycle pari ad 1/2, la loro potenza di picco è perciò il doppio della potenza media (+ 3 dB).

P

10 dBm

P

5 dBm

P

5 dBm

P

-18 dBm

Tabella 4-6: Potenza dei segnali in ingresso al SOA

Abbiamo osservato l'ingresso e l'uscita del SOA con un oscilloscopio con testine ottiche Agilent Infiniium DCA. Questo strumento ha due ingressi per segnali ottici, una testina ha banda pari a 10 Ghz, l'altra, detta testina veloce, raggiunge i 40 GHz. Inoltre ha due testine per segnali elettrici a radiofrequenza.

Abbiamo regolato l'ingresso (variando la linea di ritardo) in modo che si presentassero tutte e quattro le possibili combinazioni di ingresso, ottenendo un segnale a tre livelli (livello 0 ingressi 00,livello 1 ingressi 01 o 10, livello 2 ingressi 11).

L'immagine riporta l'ingresso e l'uscita del SOA. L'uscita è stata prelevata con un fotorivelatore e riportata alla testina elettrica a RF dell'oscilloscopio. Il segnale elettrico generato dal fotorivelatore è a valor medio nullo poiché il dispositivo sopprime la componente continua del segnale fotorivelato.

In figura 4-5 si riporta il segnale a tre livelli in ingresso al SOA e il corrispondente segnale di uscita. I segnali di ingresso presentano una velocità di cifra di 1,25 Gbit/s e sono sfasati di π/2. L’uscita è un segnale con velocità di cifra pari a 2,5 Gbit/s (in figura 4-6).

In figura 4-7 si riporta il segnale a tre livelli in ingresso al SOA e il corrispondente segnale di uscita. I segnali di ingresso presentano una velocità di cifra di 2,5 Gbit/s e risultano sfasati ma non esattamente di π/2. L’uscita è un segnale con velocità di cifra pari a 5 Gbit/s.

In figura 4-8 si riporta ancora il segnale a tre livelli in ingresso al SOA e il corrispondente segnale di uscita. I segnali di ingresso presentano una velocità di cifra di 5 Gbit/s e sono sfasati di π/2. L’uscita è un segnale con velocità di cifra pari a 10 Gbit/s.

Figura 4-5: Ingresso ed uscita della porta logica per segnali a 1,25 Gbit/s. I due segnali di ingresso sono sfasati di π/2.

Figura 4-7: Ingresso ed uscita della porta logica per segnali a 2,5 Gbit/s. I due segnali di ingresso non sono esattamente sfasati di π/2

Figura 4-8: Ingresso ed uscita della porta logica per segnali a 5 Gbit/s. I due segnali di ingresso sono sfasati di π/2.

Come mostrano le immagini, il valore dell'uscita segue la funzione logica ricercata anche se la forma d'onda risulta sempre più distorta mano a mano che si aumenta la velocità di segnalazione (si ricorda che l'uscita ha una velocità di simbolo che è sempre doppia rispetto a quella del singolo canale quando gli ingressi sono sfasati di π/2).

Grazie alle funzioni dell'oscilloscopio è possibile ricavare in persistenza il diagramma ad occhio del segnale di ingresso e di uscita impostando sul generatore di segnale la trasmissione di una sequenza pseudocasuale PRBS (Pseudo Random Binary Sequence). Si riportano i seguenti risultati.

In figura 4-9 si riportano i diagrammi ad occhio del segnale di ingresso (sempre a tre livelli) e del segnale di uscita a 10 Gbit/s. Nelle figure 4-10 e 4-11 sono riportati i diagrammi separatamente.

Figura 4-9: Diagrammi ad occhio del segnale in ingresso e del segnale di uscita a 10 Gbit/s.

Figura 4-10: Diagramma ad occhio del segnale in ingresso al SOA somma di due segnali NRZ.

Osservando la forma del diagramma ad occhio del segnale di uscita notiamo che per quanto l'occhio risulti aperto si nota una certa rumorosità sul livello alto del segnale, dovuta

probabilmente alle distorsioni introdotte dal SOA a causa delle dinamiche di guadagno (tali distorsioni si notano facilmente nella figura 4-6).

Come passo successivo abbiamo effettuato delle misure di probabilità di errore sul segnale in uscita al SOA. Abbiamo dovuto abbandonare le sequenze PRBS perché il ricevitore di segnale non può calcolare in tempo reale il risultato della funzione dei due segnali casuali creati dal generatore. Utilizzando la particolare sequenza di ingresso riportata sotto in figura 4-12 che è formata dalla somma di due sequenze binarie, abbiamo ricavato le seguenti misure di Bit Error Rate (BER). La curva è stata ottenuta variando la potenza di picco del segnale ottico in ingresso al fotorivelatore.

Figura 4-12: A sinistra:sequenza di ingresso a 2,5 Gbit/s. A destra: Sequenza di uscita corrispondente a 5 Gbit/s

In figura 4-13 è riportata la curva di BER al variare della potenza di picco del segnale in ingresso al fotorivelatore. La probabilità d’errore varia da 10-10 a 10-3.

Curva di BER porta XNOR 1.00E-11 1.00E-10 1.00E-09 1.00E-08 1.00E-07 1.00E-06 1.00E-05 1.00E-04 1.00E-03 1.00E-02 1.00E-01 1.00E+00 -17.5 -17 -16.5 -16 -15.5 -15 -14.5 -14 -13.5 -13 Ppicco(dBm) Pr o b . Er r.

Figura 4-13: Curva di BER in funzione della potenza sul livello alto.

Dai risultati ottenuti si può dire che la funzione logica è realizzata e che è indispensabile la ricerca del punto ottimale di lavoro per quanto riguarda le tensioni di modulazione, l’orientamento relativo delle polarizzazioni dei canali e del probe e potenza dei segnali in gioco. In tali condizioni è sufficiente che il segnale al ricevitore presenti una potenza ottica di picco pari a -14 dBm per ottenere una probabilità di errore di 10-10.

4.4 - Misure con una sorgente ottica ad impulsi

Dopo le misure con segnali modulati NRZ abbiamo osservato il comportamento della porta logica quando uno dei due canali in ingresso era formato da un treno di impulsi corti modulato.

Per ottenere il segnale ottico ad impulsi ultracorti è stata utilizzata una sorgente ottica impulsata progettata e sviluppata nei laboratori del CNIT, proprio dove è stato svolto questo lavoro di tesi.

Una delle tecniche maggiormente utilizzate per la realizzazione di treni di impulsi ottici è quella basata sull’Aggancio dei Modi (Mode Locking – ML) che sfrutta un oscillatore laser multimodale [20]. In linea di principio, per ottenere dall’oscillatore multimodale un comportamento impulsato è sufficiente forzare le fasi relative dei modi ad assumere lo stesso valore. Questa tecnica viene impiegata in laser in fibra e a semiconduttore con risultati differenti. Per la sorgente in questione la tecnologia utilizzata è quella in fibra.

Il ML può essere Passivo, Attivo e Ibrido a seconda del dispositivo utilizzato per ricreare le opportune condizioni di fase. La sorgente da noi impiegata utilizza un dispositivo attivo, un modulatore d’ampiezza, per cui il Mode Locking viene detto Attivo (Active Mode Locking – AML).

Ecco lo schema della cavità laser della sorgente di tipo Mode Locked Attivo in fibra.

Oltre ad un filtro ottico, utilizzato per selezionare i modi ottici su cui stabilire la relazione di fase, la cavità ML include anche un elemento attivo di guadagno rappresentato da un EDFA e una linea di ritardo ottica per cambiare lunghezza della cavità e di conseguenza per variare finemente frequenza di ripetizione dell’impulso. Il dispositivo attivo non lineare, un modulatore Mach-Zehnder, è controllato da un’onda sinusoidale alla frequenza di segnalazione del treno di impulsi da generare.

La sorgente è stata appositamente creata per generare impulsi ottici di durata di 3 ps (nel senso di durata a metà ampiezza massima, Full Width at Half Maximum - FHWM) con la cadenza di 10 GHz. Si può perciò stimare la banda del segnale intorno alle centinaia di GHz cioè, intorno alla lunghezza d'onda di 1550 nm, a qualche nanometro.

Proprio a causa dell'enorme banda occupata da questo segnale sono sorti due problemi. Il primo riguarda i filtri da noi utilizzati per separare i vari canali che hanno una banda passante non sufficientemente larga per evitare la distorsione del segnale impulsivo.

Il secondo riguarda l'oscilloscopio ottico che, avendo una larghezza di banda di 40 GHz, non può visualizzare l'esatta forma d'onda dell'impulso. Sullo schermo sarà visualizzata perciò quella che è la risposta impulsiva dello strumento.

Figura 4-15: Impulso della sorgente AFML. Si nota la risposta impulsiva dell'oscilloscopio

Lo schema utilizzato per questo tipo di misure è il seguente.

Figura 4-16: Setup per le misure sperimentali con la sorgente ottica impulsata

Abbiamo sostituito tutti i filtri, aventi banda troppo stretta per i segnali impulsivi, con altri lievemente meno selettivi aventi banda passante pari a 0,7 nm. Non risultano comunque sufficientemente larghi, per cui si ha una deformazione dell'impulso, con relativo aumento della sua durata.

Questi nuovi filtri ci hanno obbligato a cambiare nuovamente le frequenze dei vari segnali. Nella tabella 4-7 sono riportati i valori della lunghezza d’onda dei segnali.

λ

1534.0 nm

λ

1551.7 nm

λ

1550.9 nm

λ

1550.1 nm

La potenza media dei vari segnali vale:

P

9 dBm

P

5 dBm

P

-5 dBm

P

-20 dBm

Tabella 4-8: Potenza dei segnali in ingresso al SOA

Il canale che trasporta il segnale impulsivo ha una più bassa potenza media perché il duty cycle è molto basso quindi l’energia associata ad ogni singolo impulso è maggiore. Osservando la forma dell'impulso filtrato sull'oscilloscopio è stato possibile stimare la sua durata FWHM intorno ai 20 ps, assumendo che la forma dell’impulso ottico sia gaussiana. Di conseguenza, non considerando il fatto che il segnale viene poi modulato, il valore di picco si trova:

Ppicco= Pmedia /(Timp/T)

In scala logaritmica, usando i dB:

Ppicco(dBm)= Pmedia(dBm) -10Log(Timp/T) = -5dBm -10Log(20 ps/100ps)= 2 dBm

Ciò significa che la potenza di picco dell’impulso gaussiano è 7 dB sopra il valore medio.

Si riporta il comportamento della porta mettendo in ingresso i due canali modulati.

In figura 4-17 è riportata l’immagine scaricata dall’oscilloscopio ottico del segnale, somma dei due canali, in ingresso al SOA, mentre in figura 4-18 è riportata l’uscita della porta logica. In figura 4-19 vengono riportati entrambi i segnali allineati in modo da evidenziare il funzionamento.

Figura 4-17: Segnale risultante della somma di un canale modulato NRZ ed un canale modulato RZ

Figura 4-19: Sequenza di uscita allineata col rispettivo ingresso memorizzato sull'oscilloscopio

Come possiamo notare la porta risponde con estrema rapidità alle variazioni del segnale di ingresso, si prevede dunque un suo funzionamento con segnali ad impulsi ultracorti di tipo Return-to-Zero (RZ).

4.5 – Misure con segnali RZ a 10 Gbit/s

Dato che il SOA utilizzato, una volta saturato dalla pompa, ha manifestato dei tempi di risposta molto brevi abbiamo verificato il funzionamento del medesimo schema della porta logica con segnali impulsivi a frequenza di ripetizione pari a 10 GHz.

Per far funzionare correttamente la porta è stato necessario rendere anche il probe, oltre che i due canali di ingresso, un segnale ad impulsi ultracorti.

Il problema più grosso che abbiamo dovuto affrontare è stato riuscire ad ottenere tre segnali impulsivi a tre differenti lunghezze d’onda dato che avevamo a disposizione un’unica sorgente e lo spettro emesso non era sufficientemente largo da permettere il filtraggio i tre segnali.

Figura 4-19: Spettro ottico a righe della sorgente AFML

Abbiamo pensato di espandere la banda del segnale ottico amplificandolo fortemente e facendolo passare in una fibra ad alta non linearità (HNLF). In questo modo la caratteristiche dell’impulso rimangono invariate eccetto un restringimento temporale ed un conseguente allargamento spettrale dovuto a fenomeni non lineari che si manifestano aumentando la

densità di potenza che il segnale imprime sulla sezione. Dunque, usando un EDFA che poteva emettere fino a 33 dBm di potenza ottica media e 500 m di fibra HNLF, siamo riusciti ad ottenere l'espansione spettrale. Lo spettro allargato viene detto Supercontinuum.

Per rendere lo spettro il più uniforme possibile e per limitare le distorsioni sulla forma del segnale che un’eccessiva espansione generava, la potenza di saturazione emessa dall’EDFA è stata ottimizzata. In figura 4-20 è riportato lo spettro del Supercontinuum.

Figura 4-20: Spettro del Supercontinuum ottenuto espandendo la sorgente AFML.

Come possiamo notare lo spettro del segnale in uscita alla fibra presenta una larghezza di banda più ampia (circa 20 nm), a cui corrisponde una compressione dell’impulso fino a centinaia di fs, che permette di prelevare il segnale con dei filtri ottici stretti a differenti lunghezze d’onda. In questa fase è stata importante la scelta della collocazione frequenziale dei segnali in gioco. L’operazione di filtraggio causerà un’inevitabile aumento della durata degli impulsi fino ad un FWHM stimato intorno ai 20 ps.

Inizialmente abbiamo provato a mantenere gli stessi filtri usati nello schema precedente, ma successivamente ci siamo accorti che la separazione di soli 0,8 nm tra i canali era

insufficiente per prelevare correttamente il segnale all’uscita del SOA senza che ci fosse interferenza tra segnali spettralmente adiacenti.

Questo perché nel SOA, a causa del funzionamento in regime di saturazione, si manifestano altri effetti non lineari oltre a quelli, già citati, utilizzati per realizzare la funzione logica. Più nello specifico, fenomeni come Self Phase Modulation e Cross Phase Modulation contribuiscono ad allargare lievemente ed a traslare sull’asse delle lunghezze d’onda gli spettri dei segnali.

Inoltre la banda dei filtri non permetteva di prelevare insieme il probe e la componente di FWM. Infatti, contrariamente a quanto previsto, le due componenti non andavano a sovrapporsi esattamente a causa dei fenomeni non lineari sperimentati in maniera differente da entrambi (il probe subisce questi effetti in maniera minore perché ha bassa potenza e dunque varia pochissimo la sua disposizione spettrale).

Abbiamo utilizzato un altro set di filtri stretti AWG (Array Waveguide Gratings) per sistemi WDM che permettevano di lavorare a frequenze più “distanti”.

Lo schema del banco di lavoro utilizzato per questa serie di misure è riportato di seguito.

Figura 4-21: Schema del banco di lavoro per le misure con segnali RZ a 10 Gbit/s

Esso comprende tutti gli elementi necessari a generare i segnali da iniettare poi nel SOA. E' importante notare come la porta logica ottica sia in realtà costituita dai soli elementi che sono nella parte bassa dello schema evidenziati in giallo.

La lunghezza d'onda e la potenza dei segnali utilizzati sono riportati in tabella 4-9.

Lungh. d'onda Potenza

Canale 1 λch1 = 1550,9 nm Pch1 = 0 dBm

Canale 2 λch2 = 1552,5 nm Pch2 = 0 dBm

Probe λ_Probe = 1549,3 nm Pprb = -18 dBm

Pompa λ_pompa = 1543,7 nm Ppompa = 9 dBm

Tabella 4-9: Lunghezza d'onda e potenza dei segnali iniettati nel SOA.

I tre segnali ad impulsi sono generati filtrando il Supercontinuum, amplificati con EDFA e poi nuovamente filtrati per eliminare il rumore d’ASE introdotto dall’amplificazione.

Come primo passo abbiamo sincronizzato i segnali dei canali e del probe all’ingresso del SOA agendo sulle Linee di Ritardo Ottiche variabili (Optical Delay Line - ODL) per massimizzare la loro interazione. La linea di ritardo introdotta tra sorgente e modulatore serve per sincronizzare il segnale elettronico che pilota il modulatore Mach-Zehnder e gli impulsi generati dalla sorgente.

Il generatore di segnale permette di creare sequenze di bit lunghe al massimo 16 bit. Noi abbiamo adoperato sequenze lunghe 8 bit ripetendo il pattern due volte. Traslando nel tempo le due sequenze di bit, abbiamo fatto in modo che in ingresso alla porta logica si presentassero tutti i possibili stati di ingresso (00, 01, 10, 11). In figura 4-22 si riporta lo spettro dei canali in ingresso alla porta, in figura 4-23 e 4-24 le due sequenze di ingresso.

1

1

0

0

0

0

0

0

Figura 4-23: Sequenza di ingresso del canale 1

0

1

1

0

0

0

0

0

In seguito, osservando l'uscita del SOA, abbiamo regolato le polarizzazioni dei tre segnali in modo da massimizzare il FWM, cercando di rendere le polarizzazioni dei due canali parallele, e ridurre il battimento tra il probe ed il FWM stesso posizionando la polarizzazione del probe ortogonalmente rispetto a quella dei canali. Abbiamo incontrato dei problemi nell'ottimizzare il segnale di uscita causati da una non perfetta modulazione dei segnali di ingresso che faceva insorgere fenomeni di FWM anche quando non erano richiesti.

Si riportano le immagini raccolte dall'oscilloscopio delle sequenze dei segnali in ingresso e di uscita.

In figura 4-25 e 4-27 sono raffigurati i segnali a tre livelli in ingresso alla porta logica, in figura 4-26 e 4-28 le rispettive sequenze di uscita.

Figura 4-25: Segnale somma in ingresso al SOA

Figura 4-27: Sequenza somma in ingresso al SOA.

Utilizzando Sequenze PseudoCasuali (PRBS) abbiamo raccolto le immagini dell'occhio del segnale di ingresso e di uscita, riportandole in figura 4-29 e 4-30

Figura 4-29: Diagramma ad occhio del segnale somma in ingresso al SOA.

Per verificare la qualità del segnale generato dalla porta logica in termini di rumorosità aggiunta e di distorsione introdotta, abbiamo misurato la probabilità di errore al variare della potenza del segnale ad impulsi all’ingresso del ricevitore.

Abbiamo utilizzato come ricevitore un fotorivelatore ed un rilevatore di errori (BER Tester Arnitsu). Il segnale ottico in uscita dal SOA viene convertito in un segnale elettrico a valor medio nullo dal fotorivelatore. Il segnale elettrico così generato viene mandato in ingresso al ricevitore che, operando la decisione sui simboli e confrontandoli con la sequenza nota realmente trasmessa, visualizzava la percentuale di errori compiuti in 1 s (cioè su 10 miliardi di simboli). Per far funzionare correttamente il fotorivelatore è stato necessario amplificare con un EDFA e filtrare l'uscita del SOA (sempre per ridurre il rumore introdotto dall'ASE dell'EDFA).

Si riporta la curva di Bit Error Rate (BER) dell'uscita della porta logica paragonata con la curva di BER che si ottiene ponendo direttamente in ingresso al ricevitore uno dei due canali in ingresso al SOA (back-to-back). Il confronto viene effettuato considerando il valore di picco del segnale fotorivelato, dato che il valor medio della potenza di un segnale è legato alla particolare sequenza di bit che trasporta.

Curve di BER e back-to-back porta XNOR

1.00E-11 1.00E-10 1.00E-09 1.00E-08 1.00E-07 1.00E-06 1.00E-05 1.00E-04 1.00E-03 1.00E-02 1.00E-01 1.00E+00 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 Ppicco (dBm) Pro b . Err. BER back-to-back

Figura 4-31: Curve di BER e back-to-back della porta XNOR

Osservando i dati raccolti e graficati notiamo una perdita di efficienza tra le due curve di circa 1,25 dB (valutata intorno alla Probabilità di Errore di 10-9).

4.6 – Realizzazione di altre funzioni logiche

I buoni risultati ottenuti con lo schema della porta logica XNOR ci hanno indotto a pensare ad altre possibili configurazioni in modo da implementare differenti funzioni logiche.

Come prima idea abbiamo pensato di realizzare una porta logica AND.

4.6.1 – Porta AND

E’ bastato osservare la tabella di verità della porta XNOR per notare che, disattivando il segnale di probe, si ottiene in uscita un segnale che ricalca la funzione AND. In effetti andando ad prelevare l'uscita alla frequenza di FWM si può notare che si ha un segnale sul livello alto quando è presente la componente di FWM, che si genera solamente nel caso siano presenti entrambi i segnali. In tutti gli altri casi l'uscita è nulla (il filtro estrae il rumore di ASE del SOA).

Canale 1

Canale 2

AND

Effetto

0 0 0

-

0 1 0

-

1 0 0

-

1 1 1 Componente di FWM

Tabella 4-10: Tabella di verità della funzione AND ed effetti fisici sfruttati

Mantenendo invariato lo schema del banco di lavoro, abbiamo effettuato lo stesso tipo di misure che abbiamo operato sulla porta XNOR.

Dopo aver calibrato i segnali all’ingresso del SOA (regolando per gli stessi motivi precedentemente illustrati i controllori di polarizzazione e le linee di ritardo ottiche) abbiamo osservato la risposta della nuova porta logica alla consueta sequenza di ingresso.

In figura 4-32 è riportata l’immagine scaricata dall’oscilloscopio del segnale d’ingresso mentre in figura 4-33 si può osservare la corrispondente sequenza d’uscita.

Figura 4-32: Sequenza somma in ingresso al SOA.

Abbiamo provato a cambiare sequenza di ingresso riducendo la lunghezza della sequenza a 4 bit in modo da ottenere un segnale di uscita che fosse sul livello alto più frequentemente, per constatare un'eventuale dipendenza del SOA dalla particolare sequenza di ingresso.

Figura 4-34: Sequenza somma in ingresso al SOA.

Come notiamo dalle figure la funzione logica è rispettata ed i segnali di ingresso presentano un bassa rumorosità sui entrambi i livelli. Si riportano i diagrammi ad occhio del segnale di ingresso e del segnale di uscita ottenuti tramite l'oscilloscopio ottico.

Figura 4-36: Diagramma ad occhio del segnale somma in ingresso al SOA.

Le immagini testimoniano il funzionamento della porta AND; l'occhio del segnale di uscita (opportunamente amplificato e filtrato) risulta ben aperto anche se si nota una certa rumorosità sul livello alto.

Usando lo stesso ricevitore impiegato per le misure precedenti abbiamo ottenuto le curve di BER del segnale uscita e della singola sequenza di ingresso. E' stato effettuato il consueto confronto con la curva di back to back.

Curva di BER e back-to-back porta AND

1E-13 1E-12 1E-11 1E-10 1E-09 1E-08 1E-07 1E-06 1E-05 0.0001 0.001 0.01 0.1 1 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 Ppicco (dBm) Pr ob . Er r. 0 BER back-to-back

Figura 4-38: Curve di BER e di back-to-back per la porta AND.

Le curve riportate evidenziano una guadagno di efficienza per questo tipo di configurazione della porta pari a circa 2 dB. Questo fatto, a prima vista inconsueto, può essere spiegato considerando che il SOA effettua una rigenerazione del segnale migliorandone la forma.

4.6.2 – Porta NOT

Un'altra funzione logica facilmente implementabile con lo schema a nostra disposizione è la funzione NOT. In effetti osservando il comportamento del segnale di probe al variare di uno dei canali di ingresso ci siamo accorti che:

1. Quando il segnale di ingresso è assente (ingresso 0) il probe viene amplificato dal SOA; uscita alta (1).

2. Quando il segnale di ingresso è presente (ingresso 1) a causa della sua elevata potenza di picco si genera XGM ed il probe non viene amplificato; uscita bassa (0)

Canale 1

NOT

Effetto

0 1 Probe amplificato

1 0

XGM sul probe

Tabella 4-11: Tabella di verità della funzione NOT ed effetti fisici sfruttati

Per verificare il suo funzionamento abbiamo spento uno dei due canali in ingresso e, sempre mantenendo invariato l'intero schema di lavoro, siamo andati ad osservare l'uscita del filtro ottico (che risultava centrato sempre sulla lunghezza d'onda del segnale di probe).In figura 4-39 è riportato lo spettro ottico del segnale di ingresso e del probe.

In figura 4-40 e 4-41 si riportano le tracce scaricate dall'oscilloscopio ottico.

Figura 4-40: Sequenza di ingresso.

Utilizzando le sequenze PRBS sono state osservate le caratteristiche del diagramma ad occhio del segnale di ingresso e di uscita riportate rispettivamente in figura 4-42 e 4-43.

Figura 4-42: Diagramma ad occhio del segnale in ingresso alla porta.

Con la solita strumentazione sono state ricavate le curve di BER dell'uscita ed è stato effettuato il back-to-back. Per la porta in questione è stato possibile utilizzare le sequenze pseudocasuali dal momento che il ricevitore è capace di valutare in tempo reale la funzione NOT della sequenza trasmessa dal generatore di segnale. Le curve riportano comunque l'andamento della probabilità d'errore al variare della potenza di picco.

Curve di BER e back-to-back porta NOT

1.00E-13 1.00E-12 1.00E-11 1.00E-10 1.00E-09 1.00E-08 1.00E-07 1.00E-06 1.00E-05 1.00E-04 1.00E-03 1.00E-02 1.00E-01 1.00E+00 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 Ppicco (dBm) Pr o b . Er r. BER Back-to-back

Figura 4-44: Curve di BER e di back-to-back per la porta NOT

Come possiamo notare le curve testimoniano un buon funzionamento della porta, che introduce una perdita di efficienza di 1 dB (valutata per la probabilità di errore di 2 10-10).

4.6.3 – Porta NOR

Infine, sempre osservando la tabella di verità della funzione XNOR, abbiamo osservato che era possibile ottenere facilmente la funzione logica NOR.

Per far ciò è bastato spostare sull'asse frequenziale il segnale di probe ad una lunghezza d'onda differente da quella di FWM e prelevare l'uscita con un diverso filtro ottico centrato sul segnale di probe. La funzione logica risulta così realizzata:

1. Quando nessuno dei due segnali è presente in ingresso ( caso 00) il probe viene amplificato dal SOA; uscita alta (1).

2. Quando in ingresso è presente uno dei due segnali od entrambi i segnali (caso 01, 10 e 11), data l'alta potenza di picco si verifica XGM ed il probe non sperimenta nessun guadagno; uscita bassa (0).

Canale 1

Canale 2

NOR

Effetto

0 0 1

Probe amplificato

0 1 0

XGM sul probe

1 0 0

XGM sul probe

1 1 0

XGM sul probe

Tabella 4-12: Tabella di verità della funzione NOR ed effetti fisici sfruttati.

Abbiamo proceduto con le misure seguendo il solito ordine.

Prima però è stato necessario cambiare la collocazione frequenziale del segnale di probe. E' stata scelta la lunghezza d'onda di λprobe = 1546,1 nm, scelta dettata dall'uso di un particolare filtro tra quelli a disposizione. Si riporta in figura 4-45 lo spettro dei segnali in ingresso al SOA

Figura 4-45: Spettro ottico dei due canali e del segnale di probe in ingresso al SOA

Utilizzando la consueta sequenza di ingresso abbiamo osservato sull'oscilloscopio i segnali di ingresso (in figura 4-46) e di uscita (in figura 4-47).

Figura 4-46: Sequenza somma in ingresso alla porta.

Figura 4-47: Sequenza in uscita alla porta NOR.

Figura 4-48: Diagramma ad occhio del segnale somma in ingresso alla porta.

L'occhio del segnale di uscita risulta aperto, ancora una volta a provare l’elevato rapporto di estinzione ed il corretto funzionamento della porta logica. Si riportano di seguito le misure di BER ed il back-to-back.

Curve di BER e Back-to-back porta NOR

1.00E-14 1.00E-13 1.00E-12 1.00E-11 1.00E-10 1.00E-09 1.00E-08 1.00E-07 1.00E-06 1.00E-05 1.00E-04 1.00E-03 1.00E-02 1.00E-01 1.00E+00 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 Ppicco (dBm) Pr o b . Er r. BER Back-to-back

Figura 4-50: Curve di BER e di back-to-back per la porta NOR.

Da le curve riportate si nota che la porta in questione introduce una perdita di efficienza stimabile intorno ai 1,5 dB valutata per una probabilità di errore pari a 10-10.

In conclusione possiamo dire che la porta logica ha manifestato un corretto funzionamento sia utilizzando segnali NRZ fino a 10 Gbit/s, sia utilizzando segnali RZ a 10 Gbit/s, per ognuna delle quattro configurazioni implementate, garantendo, nel caso di segnali RZ, una perdita di efficienza inferiore ai 2 dB.

Curve di BER e back-to-back

1.00E-13 1.00E-12 1.00E-11 1.00E-10 1.00E-09 1.00E-08 1.00E-07 1.00E-06 1.00E-05 1.00E-04 1.00E-03 1.00E-02 1.00E-01 1.00E+00 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 Ppicco (dBm) Pr o b . Er r. XNOR AND NOT NOR back-to-back

Per raggiungere tali prestazioni è stata effettuata un'accurata calibrazione di alcune variabili in gioco, come regolazione della potenza dei segnali, collocazione nello spettro, orientazione della polarizzazione, allineamento tra le sequenze etc.

Dall’osservazione delle immagini dei diagrammi ad occhio del segnale di uscita ricavate per ogni configurazione della porta logica possiamo concludere che il rapporto di estinzione garantito è sufficientemente elevato da permettere un eventuale collegamento in cascata di più porte senza la necessità di amplificare e rigenerare il segnale.

Fattore di rilevanza è l'innovazione introdotta da questo tipo di schema realizzato. Infatti in letteratura sono ad oggi presenti diversi tipi di sistemi che permettono di realizzare funzioni logiche, ma in questo per la prima volta è stata implementata una configurazione che utilizza un unico SOA e che consente di variare la tipologia di porta agendo in maniera molto semplice sui segnali di controllo.