RICERCA ITALIANA     

TOSCA: trasmissione di segnali ottici con l'impiego di tecniche di amplificazione non convenzionali

Scuola Superiore di Studi Universitari e Perfezionamento S. Anna di Pisa

Abstract

Dopo gli anni Novanta, i sistemi ottici di trasmissione hanno avuto un notevole sviluppo, che ha reso possibile il rapido incremento della rete Internet ed ha alla base la disponibilità degli amplificatori EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier). Gli EDFA hanno migliorato drasticamente le prestazioni dei sistemi, in termini non solo di lunghezza di collegamento ma anche di massima capacità (grazie alla compatibilità con la multiplazione WDM, Wavelength Division Multiplexing).

Il successivo incremento del traffico ha mostrato che la rete non è ottimizzata per le attuali esigenze. Da un lato, la pila dei protocolli comporta un notevole appesantimento della struttura fisica di rete. D'altro canto, anche gli apparati dedicati al trasporto ottico, pur garantendo elevate prestazioni, sono costosi, complessi e relativamente ingombranti.

Pertanto esiste una forte esigenza di individuare architetture di sistema con una maggiore efficienza e economicità (ad esempio, la ricerca si indirizza verso la progressiva miniaturizzazione dei componenti critici).

Proprio l'EDFA è un elemento molto critico, poiché in un collegamento sono generalmente necessari molti EDFA e ciascuno ha al suo interno diversi componenti, quali uno o più laser, isolatori ottici e decine di metri di fibra. In quest'ottica, i SOA (Semiconductor Optical Amplifier) potrebbero essere una valida alternativa agli EDFA, grazie al minor ingombro, ai bassi consumi e al costo potenzialmente concorrenziale. Tuttavia, i SOA non hanno una buona compatibilità con la modulazione IM (Intensity Modulation, o On-Off Keying, OOK) e questo è il motivo principale che ne ha precluso sinora l'impiego. Recentemente l'uso della IM è tornato in discussione e sono valutati formati di modulazione alternativi, giudicati ora tecnologicamente proponibili. Tra questi formati, le modulazioni CE (Constant Envelope) potrebbero essere compatibili con i SOA, molto più dell'IM.

Su questa base, le Unità della Scuola Superiore Sant'Anna (PISA), del Politecnico di Torino (POLITO) e dell'Università "Tor Vergata" (ROMA) presentano il progetto TOSCA.

TOSCA propone di analizzare, per la prima volta, le potenzialità di sistemi WDM basati su SOA e formati CE. A questo scopo, si realizzeranno esperimenti di trasmissione con tre diversi formati CE (Differential Phase Shift Keying, DPSK, Polarisation Shift Keying, POLSK, Continuous Phase Frequency Shift Keying, CPFSK) ed in diverse condizioni operative (in termini di lunghezza di tratta, numero di canali ecc.). L'obiettivo principale è verificare se i SOA potrebbero consentire prestazioni in sistemi WDM-CE molto superiori che nei sistemi WDM-IM (o addirittura comparabili a quelli raggiungibili con gli EDFA).

TOSCA si propone obiettivi di ricerca di livello internazionale. La partecipazione di una o più unità al progetto IP NOBEL e alla rete di eccellenza ePHOTON/ONE garantiscono che i risultati ottenuti saranno interpretati e, nel caso, valorizzati confrontandoli in un ambito di ricerca pan-europeo. In quest'ottica esistono concrete possibilità di sinergie con la rete di eccellenza ePHOTON/ONE.

In TOSCA è necessaria una notevole dotazione sperimentale, di cui gran parte è già disponibile (cfr. Mod. B di PISA e POLITO). È quindi richiesto solo un modesto investimento aggiuntivo. TOSCA comporta poi un forte impegno in termini di risorse umane. Le Unità hanno messo a disposizione notevoli risorse di personale esperto, ma è anche previsto il coinvolgimento di tesisti e dottorandi, cui si offrirà una opportunità unica di formazione e didattica ad alto livello.

Va infine segnalato che il progetto ha attirato l'attenzione dell'Istituto Superiore delle Comunicazioni e delle Tecnologie dell'Informazione (ISCTI), dell'operatore FastWeb e di alcune società industriali (Cisco, Avanex). Tutti hanno dichiarato l'interesse concreto per l'iniziativa e per eventuali ricadute tecnologiche nelle lettere che si trovano in allegato (nella sezione 2.5). <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Ernesto CIARAMELLA Scuola Sup. di Studi Univ. e Perfezionamento S.Anna di PISA

Obiettivo del Programma di Ricerca

L'obiettivo principale di TOSCA è lo studio e la dimostrazione sperimentale di architetture di sistema basate su amplificatori ottici a semiconduttore (SOA) e formati di modulazione a inviluppo costante (CE). È opinione comune che il vantaggio principale degli amplificatori a fibra drogata con Erbio (EDFA) rispetto alle altre tecniche di amplificazione dipende principalmente dal fatto che negli EDFA il guadagno di amplificazione non è sensibile alle variazioni di intensità dei segnali modulati IM di ingresso. Per contro, nei SOA l'inversione di popolazione elettronica varia velocemente in corrispondenza dell'intensità del campo ottico di ingresso. Pertanto, già nel caso di singolo canale il campo in uscita è affetto da distorsioni che dipendono dalla sequenza binaria del segnale stesso, mentre nel caso di più segnali WDM ciascuno può risentire dell'effetto di modulazione del guadagno (Cross Gain Modulation, XGM) dovuto agli altri canali. Per evitare questi effetti, è possibile ovviamente utilizzare i SOA in condizioni di basse potenze di ingresso ("nearly linear regime"), ma ciò penalizza fortemente il rapporto segnale-rumore ottico ovvero richiede di lavorare con tratte di amplificazione molto ridotte (circa 40 km, contro gli 80 km tipici di un sistema con EDFA).

Va notato che, recentemente, sono stati realizzati amplificatori a semiconduttore Gain Clamped (GC) e LOA (Linear Optical Amplifier) in cui il guadagno risulta stabilizzato per evitare gli effetti di XGM. Questo risultato viene ottenuto grazie alla speciale, ma complessa, struttura interna del componente . Ad esempio, nel caso dei LOA, il dispositivo integra con il mezzo attivo un array di laser a cavità verticale che emettono ortogonalmente rispetto alla direzione della guida attiva: in questo modo si satura il guadagno del materiale che pertanto entro certi limiti è insensibile al livello del segnale di ingresso. Questa soluzione, tuttavia, non è esente da inconvenienti e diverse pubblicazioni indicano che dà luogo a FWM tra i canali con efficienza molto superiore ai SOA tradizionali, inoltre comporta un elevato valore di Polarization Dependent Gain (PDG). Queste limitazioni sono probabilmente alla base dello scarso successo commerciale che anche questi dispositivi hanno riscosso. Recentemente, pare che l'unico produttore mondiale i LOA (Finisar) abbia annunciato di volerne interrompere la produzione.

La soluzione proposta nel progetto TOSCA vuole evidenziare che la combinazione di SOA più tradizionali (ossia senza controllo di guadagno) e formati di modulazione alternativi potrebbe aprire la strada a una nuova generazione di sistemi ottici, con caratteristiche competitive rispetto ai sistemi attuali. In particolare, l'uso di formati di modulazione a inviluppo costante (Constant Envelope, CE) consentirebbe di ridurre drasticamente l'impatto dell'effetto di XGM, che è naturalmente massimo nei sistemi IM. In questo modo sarebbe possibile realizzare sistemi WDM-CE con amplificazione SOA.

A questo scopo, le Unità partecipanti hanno individuato tre formati di modulazione che, allo stato attuale, risultano particolarmente indicati: DPSK (Differential Phase Shift Keying), POLSK (Polarisation Shift Keying) e CPFSK (Continuous Phase Frequency Shift Keying). I motivi della scelta vanno ricercati nel fatto che questi formati non solo determinano segnali CE, ma anche che se ne prevede una realizzazione pratica compatibile con l'esigenza di trovare soluzioni semplici, affidabili, compatte ed economiche (cfr. mod. B di PISA e POLITO). Quest'ultimo requisito è fondamentale, poiché, come detto in precedenza, si ritiene che le future evoluzioni degli apparati di trasmissione ottica saranno orientate a obiettivi di praticità e economicità.

In TOSCA, si ritiene che i sistemi WDM-CE basati sui SOA potrebbero divenire una valida alternativa in collegamenti metropolitani (di alcune decine di km), o di rete regionale (alcune centinaia di km). In questo panorama, il progetto TOSCA è teso a evidenziare che i SOA potrebbero raggiungere prestazioni comparabili a quelle degli EDFA (anche in termini di spaziatura degli amplificatori di linea). Gli scenari di applicazioni di lunga o lunghissima distanza (>500 km) non sono al momento considerati (in queste applicazioni la migliore figura di rumore degli EDFA rispetto ai SOA diviene decisiva). Questo non deve essere considerato limitante, anche perché nel medio termine è previsto che la crescita del traffico si concentrerà nelle reti metropolitane e regionali.

Il progetto TOSCA ha un forte carattere sperimentale e prevede la realizzazione di una serie di esperimenti di trasmissione WDM ad alta capacità (p.es. 16x10 Gbit/s) su distanze di centinaia di chilometri, con l'ausilio di comuni amplificatori SOA (in una classe di esperimenti si intende utilizzare anche la combinazione con il pompaggio Raman). Deve essere sottolineato che per la buona riuscita di queste misure è fondamentale una accurata base teorico-numerica (per l'interpretazione dei risultati e l'indicazione delle opportune linee guida) ed è parimenti indispensabile realizzare adeguati prototipi da laboratorio di trasmettitore e ricevitore (per ciascuno dei formati CE in esame).

Al raggiungimento degli obiettivi finali del progetto concorreranno una serie di obiettivi parziali, che sono suddivisibili in tre aree più generali (per omogeneità di organizzazione: a queste aree si sono fatte corrispondere le tre fasi del progetto, di seguito denominate anche WP o WorkPackage):

1) realizzazioni di trasmettitori/ricevitori CE: POLITO e PISA saranno fortemente impegnati nella dimostrazione sperimentale di trasmettitori e ricevitori CE; per ciascun formato CE selezionato si prevede di studiare e realizzare una o più soluzioni; questa attività non è puramente finalizzata all'uso successivo dei terminali CE, ma è anche fortemente innovativa per alcuni degli schemi proposti; ad esempio, per il ricevitore DPSK diverse soluzioni saranno realizzate, caratterizzate e comprate; in alcuni casi è possibile che si forniscano soluzioni con prestazioni sub-ottime, da utilizzare nelle sperimentazioni preliminari;

2) modelli teorici e numerici: è attesa la formulazione di nuovi modelli per la XGM nei SOA (in parte anche nell'amplificazione Raman) oltre alle indicazioni necessarie per gli esperimenti; l'attività di simulazione potrà fornire nuovi spunti di ricerca e indicare soluzioni adeguate; anche dal punto di vista teorico, lo studio dei sistemi WDM-CE con SOA presenta molti aspetti ancora da chiarire sia nei sistemi a singola tratta (per le limitazioni dovute al Four Wave Mixing nei SOA) sia nei sistemi multi-tratta (dove va anche attentamente valutato l'effetto che la dispersione cromatica ha sulla condizione CE);

3) esperimenti di trasmissione: le tre Unità saranno impegnati in esperimenti di trasmissione fortemente innovativi, che si prefiggono obiettivi di livello internazionale, in termini sia di capacità che di lunghezza di collegamento; è previsto che al raggiungimento degli obiettivi si arrivi mediante una serie di prove preliminari sui diversi formati CE, con diversi dispositivi e in diverse condizioni operative; queste attività sono fortemente sfidanti e possono portare a risultati molto significativi, sia in termini di comprensione degli effetti che in termini di realizzazioni pratiche; ad esempio si vuole dimostrare una trasmissione 16x10 Gbit/s su 300 km di fibra con SOA ogni 80 km; a coronamento del progetto è poi prevista la possibilità di effettuare prove in campo, utilizzando fibre installate che sono state messe a disposizione di TOSCA sia dell'Istituto Superiore delle Comunicazioni e delle Tecnologie dell'Informazione che dall'operatore FastWeb.

In ciascuno dei WP sono richieste, chiaramente, una serie di competenze pregresse, che sono ampiamente disponibili tra i membri del consorzio e sono verificabili dai curricula e dalle pubblicazioni dei membri delle Unità di Ricerca. <<<

Risultati parziali attesi

Nel seguito si dà un sintetico elenco dei risultati più significativi previsti per la Fase 1:
- T.1.1: realizzazione e studio di diverse soluzioni di RX DPSK
- T.1.2: realizzazione di un controllore automatico di polarizzazione per RX POLSK
- T.1.3: valutazione di soluzioni innovative per TX CPFSKNel seguito si dà un sintetico elenco dei risultati più significativi previsti per la Fase 2:
- T.2.1: modello completo dei SOA
- T.2.2: modello dell'effetto di XGM nell'amplificazione Raman copropagante di segnali CE
- T.2.3: valutazioni analitiche sui vantaggi dell'uso dei formati CE con i SOA
- T.2.4: analisi comparativa dei formati CE per applicazioni con SOANel seguito si dà un sintetico elenco dei risultati più significativi previsti per la Fase 3:
- T.3.1: misure delle diverse soluzioni di TX/RX con i formati CE
- T.3.2: misure Nx10 Gbit/s su singola tratta, con possibile superamento dei valori attualmente indicati in letteratura, con trasmissione unidirezionale e bidirezionale;
- T.3.3: misure su singola tratta con uso dell'amplificazione Raman, con possibile superamento dei limiti attuali (per modulazione IM);
- T.3.4: analisi di confronto/verifica dei limiti del formato IM;
- T.3.5: misure Nx10 Gbit/s su un sistema multi-tratta con uso di SOA in linea: anche qui è atteso un superamento dei limiti attualmente indicati in letteratura;
- T.3.6: dimostrazione in campo di un sistema WDM-CE con SOA: il risultato sarebbe del tutto nuovo rispetto a quanto noto attualmente in letteratura. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Il progetto TOSCA si propone obiettivi di rilievo internazionale, a fronte anche di un panorama di ricerca nazionale non ancora adeguatamente rappresentato nell'ambito delle trasmissioni su fibra ottica

Le tre Unità proponenti hanno maturato una pluriennale esperienza nel settore delle comunicazioni ottiche verificabile anche dalla partecipazione a iniziative di ricerca della Comunità Europea (attualmente, due unità aderiscono infatti alla Rete di Eccellenza ePHOTON/ONE e una al Progetto Integrato NOBEL).

Le competenze maturate pongono le tre Unità in un ruolo di rilievo nell'ambito nazionale delle comunicazioni ottiche, con particolare riguardo alle specifiche tematiche del progetto:
1) i sistemi CE (Constant Envelope): POLITO e ROMA sono molto attivi in questo settore sin dai tempi delle comunicazioni coerenti [1]-[7], sia dal punto di vista teorico che sperimentale;
2) la caratterizzazione e l'uso dei SOA (Semiconductor Optical Amplifiers): personale di PISA e ROMA ha notevole esperienza dell'uso e delle caratteristiche dei SOA [8]-[11];
3) gli esperimenti di trasmissione ottica WDM: PISA e POLITO hanno una pluriennale esperienza nelle simulazioni numeriche dei sistemi ottici [12]-[15], nella progettazione di sistema [16][17] e nelle realizzazioni di esperimenti di trasmissione in laboratorio e in campo ("field trial")[18]-[21], anche in contesti di progetti europei e di rete nazionale.

ROMA e PISA hanno inoltre attività di ricerca sulla simulazione e caratterizzazione di amplificatori SOA [22][23] e degli amplificatori Raman [24][25].

Nel seguito si presenta una sintetica panoramica dei due aspetti maggiormente caratterizzanti il progetto TOSCA (trasmissione con SOA e formati di modulazione). Per ovvii motivi di spazio questa panoramica non può essere dettagliata né esaustiva. L'analisi completa di tutte le diverse tematiche è infatti affrontata nei diversi modelli B delle singole Unità. In particolare, PISA ha approfondito gli aspetti di trasmissione, POLITO si è maggiormente soffermato sui formati CE, mentre ROMA ha dettagliato le problematiche dei SOA.

SISTEMI DI TRASMISSIONE CON SOA

Sin dai primi esperimenti di trasmissione, i SOA hanno evidenziato scarsa compatibilità con la modulazione di intensità (IM) [26], dovuta alla loro bassa potenza di saturazione e al ridotto tempo di vita dei portatori in condizione di saturazione. Per potenze di ingresso prossime alla potenza di saturazione, già un singolo canale risente delle variazioni di guadagno del SOA, che determinano "effetti di pattern" (cfr. Fig. 1a). Per di più, in sistemi WDM ogni canale influenza il guadagno del SOA (Cross Gain Modulation, XGM) e produce fluttuazioni di intensità in tutti gli altri (cfr. Fig. 1b). Quest'effetto è la causa principale dello scarso successo che i SOA hanno avuto sinora nelle applicazioni di sistema.

Fig. 1 Diagrammi ad occhio ottenuti per simulazione di un segnale a 10 Gb/s in presenza di effetto di pattern (a) e di XGM (b).

Per ovviare alla XGM, i lavori riguardanti la realizzazione di sistemi WDM con SOA si sono focalizzati principalmente sull'uso del regime "nearly linear" ovvero sull'adozione tecniche per stabilizzare il guadagno dei SOA.

1) REGIME QUASI LINEARE DEI SOA
Molti esperimenti riportati in letteratura sono realizzati utilizzando i SOA in regime quasi-lineare, cioè con potenza di ingresso inferiore alla potenza di saturazione [27][28]: in questo caso la XGM viene meno, ma la cifra di rumore aumenta in modo significativo. Il maggior inconveniente di questa tecniche deriva dal fatto che per contenere il conseguente degrado del rapporto segnale-rumore ottico (OSNR), l'attenuazione tra due SOA consecutivi deve essere limitata in modo che la distanza tipica di amplificazione è di 40 km (ossia è largamente inferiore ai circa 80 km di spaziatura tipica tra gli EDFA Da ciò derivano anche prestazioni largamente inferiori a quelle dei sistemi con EDFA: ad esempio, la massima distanza di trasmissione per sistemi con velocità di cifra di singolo canale a 10 Gb/s è dell'ordine di alcune centinaia di chilometri (240 km, [27]), mentre la capacità aggregata massima trasmessa è 320 Gb/s (32x10 Gb/s su 160 km, [28]).

2) STABILIZZAZIONE DEL GUADAGNO
In un sistema WDM, è possibile trasmettere un opportuno canale non modulato (CW) ad una lunghezza d'onda diversa. Questo "canale di riserva" satura il guadagno di tutti i SOA della linea, riducendo quindi sia gli "effetti di pattern" che la XGM. In questa configurazione il miglior risultato ottenuto è probabilmente la trasmissione di 32 canali a 2.5 Gb/s su 315 km [29].Questa soluzione ha un analogo nella realizzazione di amplificatori Gain Clamped (GC) e, più recentemente, di Linear Optical Amplifiers (LOA), nei quali il campo di riserva è generato localmente (nei LOA attraversa il mezzo attivo ortogonalmente ai segnali WDM [30]). In questo caso, la principale limitazione dipende dal fatto che il guadagno ottico disponibile viene ridotto notevolmente dalla presenza del "canale di riserva" (nel caso dei LOA si ha anche un elevato valore di Polarization Dependent Gain) [31].

Vi sono poi alcuni rari casi in cui si agisce, invece che sul SOA, sul segnale trasmesso, in modo da renderlo più resistente all'effetto di XGM. Ad esempio, si possono utilizzare segnali altamente dispersi in ingresso ai SOA in linea: in questo caso, la potenza media di tutti i canali ha un valore quasi costante e ciò riduce in modo significativo la XGM [32]. Questa tecnica presenta una serie di inconvenienti (p.e. non si può applicare facilmente al SOA "booster", che è subito dopo i trasmettitori). In alternativa, è anche possibile utilizzare un diverso formato di modulazione dei segnali ottici. Ad esempio, la cosiddetta "tecnica di modulazione della lunghezza d'onda" (di fatto simile a una modulazione Frequency Shift Keying) ha consentito di trasmettere quattro canali a 10 Gb/s su 500 km [33]. Questa tecnica ha il notevole inconveniente di richiedere, per ogni canale, due laser e un complesso modulatore a due ingressi. Anche in questo case, la distanza tra i SOA in linea è generalmente pari a circa 40 km.


L'approccio proposto in TOSCA mira invece alla realizzazione di sistemi WDM amplificati con SOA basandosi sull'utilizzo di formati di modulazione CE. Utilizzando segnali CE, infatti, si ovvia immediatamente alle distorsioni legati alle dinamiche del guadagno del SOA: questo consente di utilizzare potenze per canale più alte del caso quasi-lineare e operare in condizioni ottimali di saturazione del SOA, per cui si ha la cifra di rumore minima e quindi un miglioramento dell'OSNR dei segnali.

Vi sono pochissime realizzazioni di questa tecnica in letteratura, tutte legate al formato DPSK. Tra queste, la più significativa è stata presentata ad OFC 2004 [34] e riporta la trasmissione di otto canali a 10 Gb/s con formato di modulazione DPSK (Differential Phase Shift Keying) sulla distanza record di 1050 km. Anche qui la spaziatura dei SOA è di 40 km.

Ridotto l'effetto di XGM, i SOA possono manifestare un ulteriore effetto indesiderato, noto come Four Wave Mixing (FWM) [8]-[11]. Il FWM deriva dal fatto che, in presenza di più segnali a diversa lunghezza d'onda, la nonlinearità del SOA produce nuove componenti spettrali. Questo effetto può essere estremamente deleterio e potrebbe dare penalità significative solo per spaziature dei canali di 100 GHz o inferiori (il maggiore effetto sarebbe dovuto al SOA "booster", dove la potenza di ingresso è più alta). Nel corso del progetto, l'impatto del FWM sui sistemi CE sarà valutato teoricamente e sperimentalmente. Se sulla base di misure preliminari l'effetto fosse ritenuto non tollerabile, i proponenti prevedono di utilizzare la multiplazione WDM con la tecnica di "polarization interleaving", PI, (realizzabile con canali pari e dispari aventi polarizzazione ortogonale [14]) riducendo fortemente il FWM. Il PI darebbe particolari vantaggi proprio nel booster, dove le potenze sono maggiori, poiché la condizione di ortogonalità delle polarizzazioni tende a perdersi lungo il collegamento [14].

Parallelamente, ci si propone di sfruttare un'altra peculiarità dei SOA per realizzare collegamenti bidirezionali. In condizioni opportune, nei SOA è possibile fare a meno degli isolatori ottici, che sono indispensabili negli EDFA [26]. Di questa applicazione esistono in letteratura pochissime realizzazioni sperimentali. La più significativa dimostra la trasmissione di 8 canali a 10 Gb/s su soli 44 km di fibra [35].

Come detto, nella quasi totalità degli esperimenti di trasmissione con SOA presenti in letteratura si fa uso di tratte di amplificazione di circa 40 km. In TOSCA si intende invece dimostrare che, utilizzando formati CE, sono possibili tratte di amplificazione fino a 80 km, ossia comparabili con quelle tipiche dei sistemi attuali (basati su EDFA).

Infine va notato che l'utilizzo dei formati CE consente di affiancare ai SOA l'uso della amplificazione Raman bidirezionale. L'amplificazione Raman, oggi sempre più usata, può incrementare considerevolmente la capacità trasmissiva di sistemi WDM [36]. In generale, si utilizza solo la configurazione contro-propagante: il pompaggio co-propagante potrebbe garantire ulteriori miglioramenti ma risente, come i SOA, dell'effetto di XGM. Poiché la modulazione CE riduce fortemente l'effetto di XGM, la combinazione di sistemi WDM-CE, amplificazione SOA e Raman bidirezionale ha notevoli potenzialità in collegamenti "unrepeatered", dove per esigenze di costo o geografiche non si possono installare amplificatori di linea. In letteratura, l'impatto del XGM Raman su sistemi WDM-IM è analizzato in [37], ma sull'effetto nei sistemi WDM-CE non esistono, a nostra conoscenza, precedenti lavori teorici né sperimentali.

FORMATI DI MODULAZIONE A INVILUPPO COSTANTE (CE)

In letteratura esistono numerosi lavori di ricerca sui formati di modulazione CE, a partire dai sistemi di trasmissione ottica coerente. Nel seguito si riassumono brevemente gli aspetti più salienti dei tre formati che si intende studiare e realizzare in TOSCA.

1. DPSK

Nelle Comunicazioni Ottiche, il DPSK (Differential Phase Shift Keying) è stato introdotto nell'ambito dello studio dei sistemi coerenti [1], ma solo di recente é stato riconosciuto il suo notevole potenziale per sistemi di altissima capacità: dal 2000 ad oggi, numerosi esperimenti-record hanno dimostrato che il DPSK ha prestazioni molto migliori dell'IM/DD in sistemi a lunghissima distanza [38]-[40], grazie a una maggiore tolleranza agli effetti di propagazione nonlineare.

Il DPSK ottico é stato proposto in forme diverse. Per le applicazioni di altissima capacità si preferisce un segnale che è propriamente un RZ-DPSK [38] (RZ: Return to Zero) e pertanto non é perfettamente CE. In TOSCA si mira invece a una applicazione di rete metropolitana o regionale, dove l'uso di un modulatore effettivamente ad inviluppo costante sembra essere più promettente (per prevenire l'effetto di XGM nei SOA). Una modulazione di questo tipo può essere ottenuta impiegando un modulatore di fase in LiNbO3.

Indipendentemente dal trasmettitore, per il ricevitore sono state dimostrate fino ad oggi tre strutture principali:
a) rivelazione coerente, mediante oscillatore locale ottico [1]: questa soluzione non è presa in considerazione per l'elevata complessità e il notevole costo;
b) rivelazione interferometrica [41]: un interferometro Mach Zehnder con opportuno ritardo differenziale tra i bracci trasforma una modulazione DPSK in una modulazione IM (questo schema si presta anche alla rivelazione bilanciata, utilizzando le due uscite dell'interferometro);
c) rivelazione tramite filtro ottico stretto: questa soluzione trasforma il segnale DPSK in un segnale molto simile ad un segnale duobinario.

Recentemente, è stata proposta da PISA una quarta soluzione [20], che realizza la conversione da DPSK a IM mediante una fibra ad alta birifrangenza e un polarizzatore. Questa soluzione deve essere ancora approfondita.

Tra le unità di TOSCA, POLITO ha recentemente pubblicato vari articoli sugli RX per DPSK, tra cui [5], e pertanto si occuperà della realizzazione di un ricevitore basato sulla configurazione b. Le diverse opzioni che saranno studiate sono descritte nel Mod. B di POLITO.

PISA si impegnerà inoltre nello studio della soluzione [20], per verificarne limiti e potenzialità. Si dedicherà inoltre alla verifica della soluzione c), che pare al momento molto critica rispetto ai diversi parametri in gioco.

POLSK

Il POLSK ("POlarisation Shift Keying") codifica l'informazione sullo stato di polarizzazione del campo ottico [1]. La polarizzazione è modulata senza variare l'inviluppo del campo e dunque anche questo formato é di tipo CE. Molti articoli di riferimento sul POLSK hanno tra gli autori personale di POLITO e di ROMA (p. es.. [2]-[4] e [6],[7]).

Il TX per il POLSK può essere realizzato in vari modi. Tra questi, la soluzione più economica fa ricorso ad un modulatore di fase in LiNbO3 in cui la luce viene lanciata a 45 gradi rispetto all'asse di lancio usuale. L'inconveniente in questo caso é la presenza di una modulazione spuria di fase che allarga lo spettro e può rendere il segnale meno resistente alla dispersione cromatica. Poiché questo aspetto é secondario in TOSCA, questa soluzione sarà studiata per prima.

Il ricevitore completo per il POLSK é generalmente molto complicato. Nella versione originale comprende 3 fotodiodi ed un front-end ottico speciale per potere rivelare i 3 parametri di Stokes [7]. Inoltre, uno stadio di post-processing elettronico deve compensare le fluttuazioni della birifrangenza della fibra. Una soluzione teoricamente più semplice consiste nell'uso di un controllore automatico della polarizzazione all'ingresso, che permetterebbe di usare un ricevitore con due o anche un solo fotodiodo, dopo un PBS (Polarizing Beam Splitter) [4]. Controlli attivi di polarizzazione sono stati dimostrati ripetutamente nel passato e POLITO ne realizzerà uno in TOSCA.

RX POLSK ancora più semplici potrebbero essere ottenuti ricorrendo alla rivelazione ottica differenziale, o approssimazioni di essa. Su questo argomento sembra non esservi letteratura significativa disponibile.

CPFSK

Il "CPFSK" ("Continuous Phase Frequency Shift Keying) é stato intensamente studiato nell'ambito dei "sistemi coerenti" all'inizio degli anni '90. In particolare, una versione del CPFSK coincide con il ben noto MSK delle Comunicazioni Elettriche tradizionali.

Per il formato CPFSK le alternative di ricevitore coincidono strutturalmente con quelle del DPSK, sia pur con necessarie ottimizzazioni specifiche, il che realizza un'interessante sinergia in TOSCA.

L'aspetto più interessante del CPFSK é che il trasmettitore può essere ottenuto in modo potenzialmente molto economico, ossia tramite modulazione diretta del diodo laser [42]. Ciò consentirebbe di realizzare il TX a più basso costo fra tutti i sistemi CE in esame. Inoltre, la versione MSK ha uno spettro estremamente compatto, il che, assieme ad altre caratteristiche, lo rende molto interessante anche al di là dello scenario di TOSCA.

I principali problemi del CPFSK che devono essere affrontati sono:
a) la modulazione AM spuria dovuta alla modulazione diretta del laser;
b) le irregolarità della risposta FM dei laser a semiconduttore nel range 1-10 MHz [43].

Anche se la AM spuria può essere ridotta notevolmente, il suo impatto sulla XGM nei SOA dovrà essere attentamente valutato. Per ovviare al punto (b), si possono adottare costosi laser speciali ovvero codici di linea che svuotano il contenuto spettrale della modulazione a bassa frequenza. Quest'ultima soluzione é quella potenzialmente a più basso costo e quindi sarà esplorata per prima in TOSCA.

Attualmente, la letteratura relativa alla demodulazione incoerente del CPFSK/MSK é scarsissima e ciò rende questo argomento originale ed interessante anche al di là dello specifico scenario di TOSCA. <<<