Capitolo 1

Capitolo 1

Sistemi OTDM

Di fondamentale importanza per lo sviluppo e la ricerca dei sistemi ad elevato bit-rate ha rivestito la diffusione di Internet che ha condotto all’aumento della richiesta di banda.

Questo incremento di banda ha portato a sua volta allo sviluppo di servizi a larga banda: “digital subscriber line” (DSL), la Gigabit Ethernet, la TV via cavo.

Allo scopo di incrementare la velocità di trasmissione (bit-rate) è necessario l’utilizzo di fibra ottica come mezzo trasmissivo.

La maggiore difficoltà all’aumento delle prestazioni dei tradizionali sistemi basati su fibra ottica è rappresentata dai limiti imposti dall’elaborazione elettronica dei segnali nei nodi della rete; solamente tramite un’elaborazione completamente ottica del segnale tali limiti possono essere superati.

Uno dei metodi per incrementare la capacità delle reti di telecomunicazioni, consiste nell’aumentare il numero delle fibre per tratta . Tale soluzione risulta impraticabile per gli elevati costi di installazione.

Un’altra soluzione consiste nell’aumentare il numero delle lunghezze d’onda per fibra (fino ad oggi sono trasmesse fino a 320 lunghezze d’onda per fibra). Il collo di bottiglia di questa tecnica è dato sia dal maggior costo dovuto al maggior numero di componenti necessari (maggior numero di lunghezze d’onda implica l’utilizzo di un maggior numero di sorgenti laser), sia dal numero limitato delle lunghezze d’onda utilizzabili a causa della minima spaziatura tra i canali necessaria per consentire il loro filtraggio e per evitare che interferiscano tra di loro; infatti a causa degli effetti non lineari parte della potenza di un canale può essere trasferita sui canali adiacenti, andandone a degradare le prestazioni.

Una terza possibilità consiste nell’accrescere la velocità di trasmissione di ogni singolo canale.

Negli ultimi venti anni, ad un aumento di quattro volte della velocità ha corrisposto un dimezzamento del costo per bit.

Esistono comunque, molti problemi legati alle alte velocità trasmissive dovuti sia alla capacità dei nodi della rete di trattare elevati flussi di bit, sia agli effetti lineari presenti nella fibra di trasmissione che degradano la qualità del segnale.

A causa della dispersione della velocità di gruppo diverse lunghezze d’onda viaggiano a velocità differenti in fibra; tale fenomeno causa la distorsione degli impulsi generando errori a velocità di pochi Gbit/s per distanze di poche centinaia di chilometri. È necessaria pertanto la compensazione della dispersione ogni 200 Km su fibre standard monomodo (SMF) per velocità superiori ai 10 Gbit/s, in genere utilizzando DCF (Dispersion Compensating Fibre).

1.1.1 Tecniche di multiplazione in fibra

Tra le diverse tecnologie esistenti per la trasmissione di dati in fibra ottica una prende il nome di multiplazione a divisione di lunghezza d’onda WDM (Wavelength Division Multiplexing) nella quale diversi impulsi ottici sono separatamente modulati su differenti lunghezze d’onda e immessi nel cavo in fibra ottica (Figura 1.1).

Dal 2000 è disponibile la tecnologia DWDM ( Dense WDM ) che consente la trasmissione di 320 canali a diverse lunghezze d’onda ad una bit-rate di 40 Gbit/s per canale.

Wavelength Division Multiplexing (WDM)

L’alternativa al WDM è la multiplazione ottica nel dominio del tempo OTDM (Optical Time Division Multiplexing) che consiste nell’unire insieme diversi canali ottici in un unico treno di impulsi alla stessa lunghezza d’onda assegnando ad ogni canale un solo slot temporale diverso.

Questa tecnica può essere implementata all’interno di ogni singolo canale WDM permettendo quindi di raggiungere globalmente velocità trasmissive molto elevate. Il futuro incremento delle velocità di trasmissione fino a 160 Gbit/s [1] o più potrebbe significare una riduzione dei costi in termini di diminuzione del numero delle sorgenti laser e di semplificazione della gestione delle reti.

Figura 1.1 Esempio di spettro di potenza del campo di una fibra su cui è implementata una multiplazione WDM.

Tuttavia tali velocità implicano la realizzazione di sottosistemi per l’elaborazione completamente ottica del segnale.

1.1.2 Introduzione ai sistemi OTDM

Un sistema a divisione di tempo nel dominio ottico può raggiungere velocità dell’ordine dei 160 Gbit/s e oltre; infatti le tecnologie all-optical consentono di superare i limiti della velocità di segnalazione imposti dall’elettronica ed è per questo che la ricerca è stata indirizzata verso lo sviluppo di tutti quei sottosistemi interamente ottici indispensabili per la realizzazione di un sistema OTDM completo [5].

La tecnica OTDM consiste nella multiplazione nel tempo di diversi canali a velocità di trasmissione Rt, detti “tributari”, su una singola fibra (vedi Figura 1.2). La stessa banda

viene associata a più utenti, a ciascuno dei quali però è riservato un istante diverso per la trasmissione e la ricezione dei dati.

I diversi canali sono costituiti da treni di impulsi alla stessa lunghezza d’onda con una fissata velocità di ripetizione, tipicamente 10 GHz o 40 GHz.

Ogni treno di impulsi viene separatamente modulato, opportunamente ritardato usando una linea di ritardo ottica, e successivamente accoppiato agli altri tributari. Il segnale

Optical MUX Channel 1 Channel 2 Channel 3 Channel 4 t t t t t OTDM frame 1/Rt T=1/Ra Rt: tributary velocity Ra: aggregate velocity

aggregato prende il nome di trama (o frame) OTDM e viene poi trasmesso lungo la fibra.

Nel caso in cui si abbiano N canali tributari, ciascuno con una velocità di trasmissione Rt, i dati saranno trasmessi ad una velocità di aggregazione pari a N volte quella dei

tributari, ovvero:

Ra=N*Rt (1.1)

Un sistema OTDM nel suo complesso (Figura 1.3) include tre sottosistemi: il trasmettitore, il ricevitore e i blocchi di rigenerazione in-line del segnale.

In particolare il trasmettitore OTDM ad elevato bit rate (>160 Gbit/s) è composto da una sorgente di impulsi ottici che in genere non sono sufficientemente brevi per poter essere inseriti nella trama OTDM, ed è per questo che il generatore è seguito da un compressore di impulsi che ne riduce la durata.

Il segnale compresso può presentare delle code che danno origine a interferenza intersimbolica e può quindi essere necessario l’utilizzo di un soppressore di piedistallo a valle del compressore.

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Transmission Span (Optical Fibre)

Transmission Span

Nx10 (Nx40) Gb/s Regenerator Nx10 Gb/s (40Gb/s) Clock Recovery Nx10 Gb/s (Nx40 Gb/s) Nx10 Gb/s (Nx40 Gb/s)

N-Channels

Transmitter

N

Gli ultimi due stadi del trasmettitore sono quindi un modulatore elettro-ottico e un multiplexer completamente ottico, che consentono di multipare i canali tributari.

Il segnale, propagandosi lungo il canale, si deteriora e perciò diventa fondamentale la sua rigenerazione; rigenerare un segnale significa riamplificarlo, risagomarlo e risincronizzarlo. Questa ultima funzione può essere realizzata per mezzo di un blocco di clock recovery, capace di generare impulsi alla stessa frequenza di ripetizione del flusso aggregato e sincroni con esso.

Figura 1.4 mostra lo schema di un rigeneratore.

Il ricevitore include un blocco di clock recovery alla velocità dei tributari ed un demultiplexer ottico per l’estrazione dei canali che devono essere ricevuti.

All’aumentare della velocità di aggregazione l’intervallo temporale che viene riservato sulla trama ad ogni tributario diminuisce.

Per sistemi OTDM a 160 Gbit/s il tempo di bit è dell’ordine di 6,25 picosecondi, perciò per ottenere un corretto funzionamento ed evitare problemi di cross-talk dovuti ad interferenza tra impulsi adiacenti, è indispensabile la realizzazione di opportuni sistemi per generare e trasmettere impulsi ultracorti. Assumono, pertanto, una importanza fondamentale le tecniche per comprimere la durata degli impulsi.

Tra le diverse tecniche particolarmente efficaci sono quelle basate sulle proprietà dei solitoni.

In particolare risulta essere particolarmente interessante la tecnica di compressione che si basa sulla propagazione di un impulso in una fibra di tipo comb-like a dispersione

Tale tecnica permette di costruire un compressore di impulsi a basso costo (esso impiega unicamente due fibre di tipo commerciali: fibre dispersion shifted e fibre standard) con il quale è possibile ottenere impulsi di durata inferiore ad 1 ps con un basso livello di piedistallo.

Tale tecnica è stata analizzata numericamente mediante l’implementazione di un modello numerico semplificato per la propagazione di un impulso in una fibra comb-like la cui affidabilità è stata convalidata mediante la comparazione con i risultati ottenuti mediante un modello numerico completo.

L’analisi numerica ha permesso quindi il dimensionamento della fibra comb-like per la compressione che è stata successivamente realizzata e caratterizzata.

Nei capitoli successivi vengono illustrate le tecniche di compressione basate sulle proprietà dei solitoni e vengono illustrati i risultati dell’analisi numerica e della realizzazione sperimentale relativi alla compressione mediante fibra comb-like a dispersione decrescente.