RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

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

Università di riferimento

Scuola Sup. di Studi Univ. e Perfezionamento S.Anna di PISA - SETTORE INGEGNERIA - PISA(PI)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Ernesto CIARAMELLA

Descrizione

Il progetto TOSCA è organizzato in 3 Fasi (WorkPackage, WP) e 13 temi di ricerca (task, T). Il diagramma di Gantt sottostante evidenzia la suddivisione delle attività e il loro sviluppo temporale. La spiegazione dettagliata è fornita nel modello A.

Fig. 1 Diagramma di Gantt del progetto TOSCA (1 unità temporale=3 mesi) L'unità PISA parteciperà a tutte le tre fasi (WP) del progetto. In particolare, a PISA si richiede un notevole impegno nel WP3, con una serie di esperimenti di trasmissione particolarmente impegnativi da realizzarsi presso i Laboratori del Centro di Eccellenza. Nel seguito si dà una breve descrizione delle attrezzature disponibili e del programma dell'Unità. Una parte non trascurabile delle attività sarà effettuata con il diretto coinvolgimento delle unità di POLITO e/o ROMA, come di seguito indicato. IL LABORATORIO DEL CENTRO DI ECCELLENZA PISA utilizzerà per la sperimentazione le attrezzature presenti presso il Centro di Eccellenza di Ingegneria delle Reti e Telecomunicazioni, dove il personale della Scuola Superiore Sant'Anna lavora in stretta cooperazione con personale CNIT (Consorzio Nazionale Interuniversitario per le Telecomunicazioni). Ricercatori e tecnici del CNIT parteciperanno a TOSCA, come indicato alla voce "personale". Le attrezzature del Centro comprendono un testbed operativo WDM 16x10 Gbit/s, comprensivo di sorgenti, modulatori, multiplatori/demultiplatori WDM, numerosi (>12) amplificatori EDFA, bobine di fibra G.652 e di fibra G.655, fibra compensatrice, laser per l'amplificazione Raman di vario tipo, oltre alle usuali dotazioni di diagnostica (analizzatori di spettro ottico, misuratori di potenza fotodiodi veloci, oscilloscopi a campionamento etc.). Queste attrezzature occupano attualmente un laboratorio di 150 mq ed è previsto che saranno trasferite a settembre 2004 in un edificio appositamente costruito, dove la sola superficie di laboratorio sarà di circa 400 mq. La strumentazione e il Laboratorio forniscono una base imprescindibile per l'ideazione e la realizzazione degli esperimenti previsti nel progetto TOSCA. DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELLE ATTIVITÀ WP1- Realizzazione di trasmettitori e ricevitori CE T1.1 DPSK Si intende studiare soluzioni alternative per realizzare un ricevitore (RX) ottico DPSK. Si realizzerà una soluzione proposta recentemente da PISA [15], che sfrutta una fibra a mantenimento di polarizzazione per convertire la modulazione DPSK in una modulazione IM (mediante conversione intermedia a POLSK). Si intende inoltre valutare l'uso di un filtro ottico stretto (30% della frequenza di cifra) che può effettuare una trasformazione diretta in modulazione duobinaria [44]. Entrambe le soluzioni saranno poi verificate nell'ambito del task T3.1 e comparate con le soluzioni realizzate da POLITO. Inizio: t0 Fine: t0+6 T.1.2 POLSK Si realizzerà una coppia TX/RX POLSK particolarmente semplice, ma realizzabile velocemente e pertanto adatta all'uso nei primi esperimenti (preliminari) di trasmissione. Il trasmettitore sarà realizzato mediante un comune modulatore di fase LiNbO3, con configurazione di lancio della luce d'ingresso a 45 gradi. Il ricevitore sarà realizzato con un elemento polarizzatore e un singolo fotodiodo. Per il controllo della polarizzazione del segnale di ingresso, si userà un componente in fibra ottimizzato manualmente. Inizio: t0+3 Fine: t0+9 WP2 Modelli di componenti e sistemi T.2.2 Modello dell'amplificazione Raman copropagante Esistono già in letteratura modelli di amplificazione Raman copropagante per valutare l'impatto della XGM in sistemi a modulazione IM. In questa attività si vuole fornire un modello adatto anche al caso di sistemi CE (Constant Envelope). In particolare, data la natura distribuita della XGM, in questo caso deve essere analizzato il fatto che, a causa della dispersione cromatica della fibra, la condizione di inviluppo costante non si mantiene lungo il collegamento. Il ruolo della dispersione cromatica può essere duplice: l'elevata dispersione tende a modificare la condizione CE, d'altro canto determina una diversa velocità di gruppo per la pompa e il segnale, riducendo l'effetto di XGM. Questa attività è finalizzata alla comprensione dell'effetto e a fornire un opportuno indirizzo e la successiva interpretazione dei risultati del T.3.3. Inizio: t0 Fine: t0+9 T.2.3 Analisi teorica del bilanciamento tra effetti nonlineari nei SOA e OSNR Ciascun formato di modulazione CE realizzato nel WP1 avrà propri requisiti di rapporto segnale-rumore ottico e tolleranze agli effetti nonlineari nei SOA. Per avere alto OSNR è necessario utilizzare potenze di ingresso elevate, mentre per eliminare gli effetti nonlineari sono necessarie potenze ridotte. Questa attività mira alla individuazione delle condizioni teoriche di bilanciamento delle due esigenze, in modo da determinare anche i relativi margini. L'approccio sarà principalmente analitico-numerico, ma utilizzerà i risultati preliminari sulle caratteristiche dei trasmettitori/ricevitori CE e i risultati delle misure di caratterizzazione dei SOA (T2.1). Inizio: t0+6 Fine: t0+12 WP3-Esperimenti di trasmissione In questo WP è previsto l'impegno maggiore di PISA, che pertanto aumenta sensibilmente nel secondo anno di TOSCA (cfr. diagramma di Gantt). Le attività previste richiederanno l'impiego di molte delle attrezzature già disponibili presso il Centro di Eccellenza. Nell'ambito del WP3, PISA contribuirà alla dimostrazione sperimentale di sistemi WDM con amplificazione a semiconduttore e formati di modulazione alternativi all'IM-DD. Per il caso di sistemi non ripetuti (senza amplificatori di linea), si effettueranno anche alcuni esperimenti utilizzando il pompaggio Raman bidirezionale (copropagante e contropropagante). Alcune delle realizzazioni coinvolgeranno solo PISA, altre saranno effettuate in collaborazione con POLITO e ROMA. Tutte le prove di trasmissione, singola o multi-tratta, ove non specificato, saranno effettuate sia con le usuali fibre singolo modo (G.652, D=16 ps/nm/km) che con le nuove fibre a dispersione non nulla (NZD ovvero G.655, D=3 ps/nm/km circa). In tutti i casi, la velocità di cifra del singolo canale WDM sarà 10 Gbit/s. Per semplicità nella Fig. 1 si riporta uno schema (puramente indicativo) delle diverse configurazioni di sistema che si studieranno nel corso del WP3.

Fig. 1 Schema delle configurazioni di tratta considerate nel WP 3. a: linea a singola tratta (T.2.2 e T.2.4); b: linea "unrepeatered" con Raman bidirezionale; c: collegamento multi-tratta. I dettagli (numero di trasmettitori, numero di tratte etc) sono puramente esemplificativi. T.3.1 – Esperimenti di trasmissione back-to-back Questa attività riguarderà la caratterizzazione dei trasmettitori e dei ricevitori che saranno stati sviluppati nel WP1. Per tutte le modulazioni CE proposte e per le diverse soluzioni realizzate nel WP1, si misureranno le caratteristiche della coppia trasmettitore-ricevitore. Saranno effettuate misure di tasso d'errore (BER) trasmissione-ricezione senza linea (back-to-back) e di degrado del BER in funzione del rapporto segnale-rumore ottico, mediante le tecniche usuali. I risultati ottenuti saranno confrontati tra loro e con i risultati del caso IM-DD. Inizio: t0+3 Fine: t0+12 T. 3.2 – Esperimenti di trasmissione su singola tratta (unrepeatered) Questa attività mira a realizzare diversi esperimenti di trasmissione con una singola tratta di fibra (unrepeatered, ossia senza amplificatori in linea): i terminali saranno stati prima realizzati nel WP1 e poi caratterizzati in back-to-back in T.3.1. In questa configurazione, si useranno due amplificatori a semiconduttore, ossia un booster (subito dopo il multiplatore WDM) ed un preamplificatore (prima del demultiplatore WDM). Si cercherà, mediante un opportuno bilanciamento delle potenze di ingresso ai SOA e un appropriata scelta della mappa di dispersione di ottenere la trasmissione su almeno 80 km di fibra con almeno otto canali (120 km con un solo canale). A questo scopo, le indicazioni ricevute dalle attività T2.3 e T2.4 potranno essere molto preziose. La trasmissione su singola tratta verrà effettuata prima con un solo canale e quindi con un sistema WDM. In entrambi i casi si effettueranno prove di trasmissione sia con il formato DPSK che POLSK, utilizzando uno o due modulatori comuni per i diversi canali. Questa soluzione non è utilizzabile per il formato CPFSK, che non fa uso di un modulatore esterno: pertanto nelle prove WDM con CPFSK il numero di canali potrà essere limitato dalla disponibilità di trasmettitori indipendenti realizzabili secondo le indicazioni del WP1. Questa analisi verrà condotta per i due tipi di fibra attualmente in uso (G.652 e G.655) in funzione sia del guadagno dei SOA, che delle perdite totali di tratta (che comprendono anche le perdite di una eventuale fibra per la compensazione della dispersione cromatica). Si fornirà inoltre una valutazione preliminare del numero di canali che è possibile trasmettere (nell'intervallo 8-16) ed della spaziatura di frequenza tra i canali (100 oppure 200 GHz). La scelta della spaziatura tra i canali, in questa attività, come nell'attività 3.5, sarà condizionata principalmente dai disturbi di Four Wave Mixing (FWM) nei SOA. Per questo motivo si sfrutterà prevedibilmente la possibilità di multiplare canali adiacenti con polarizzazioni ortogonali ("polarization interleaving" [7]). A causa del FWM, la riduzione della spaziatura dei canali WDM a 50 GHz è difficilmente realizzabile. Si prevedono alcuni esperimenti esplorativi per verificare se la tecnica PI o altri accorgimenti sperimentali possano consentire questo valore di spaziatura dei canali. Allo stato attuale, il successo di esperimenti WDM con spaziatura 50 GHz non è facilmente prevedibile. Si vuole infine realizzare un esperimento di trasmissione WDM bidirezionale, inviando i canali pari e dispari in direzioni opposte e usando SOA senza isolatori. Nell'ambito di questa attività è prevista una stretta collaborazione con ROMA, con personale di ROMA distaccato, per un tempo da definire, presso PISA per effettuare misure congiunte. Inizio: t0+6 Fine: t0+15 T.3.3 – Valutazione dell'uso del Raman copropagante per sistemi senza amplificatori di linea In questa attività si verificherà la possibilità di realizzare sperimentalmente dei sistemi in cui sia possibile la trasmissione di segnali su singole tratte di fibra senza amplificazione intermedia utilizzando due SOA (booster e preamplificatore) insieme alla amplificazione distribuita Raman. L'amplificazione Raman distribuita gioca un ruolo fondamentale per aumentare le capacità trasmissive di sistemi di comunicazione ottica WDM non ripetuti. L'uso dell'amplificazione Raman bidirezionale dovrebbe essere molto più agevole con sistemi CE. In questo caso, oltre al pompaggio contropropagante, che è sicuramente utilizzabile, si cercherà di utilizzare al massimo anche il pompaggio copropagante (eventualmente anche di ordine superiore), che di solito pone diversi problemi nei sistemi IM a causa della XGM (del tutto simile a quello dei SOA). In questa attività si cercherà di migliorare notevolmente i risultati ottenuti nel T.2.2 in termini di massima distanza e massima capacità e si vuole ottenere un risultato di trasmissione WDM-CE "unrepeatered" su almeno 200 km di fibra, superando i risultati riportati in letteratura. Inizio: t0+9 Fine: t0+15 T.3.4 – Esperimenti comparativi con IM-DD Questa attività è finalizzata a verificare le prestazioni dei sistemi realizzati nell'attività 3.2 nel caso di modulazione IM e sarà svolta in stretta collaborazione con POLITO. Verranno verificate sperimentalmente le capacità trasmissive e le limitazioni intrinseche dell'uso dei SOA in sistemi WDM-IM, applicando le tecniche proposte in letteratura per ovviare alle distorsioni intrinseche dei segnali. Tutte queste caratterizzazioni consentiranno una analisi dettagliata e quantitativa dei vantaggi/svantaggi dell'utilizzo dei formati di modulazione CE rispetto alla modulazione di intensità IM. Come in tutte le altre prove trasmissive, si prevede l'uso di comuni SOA. Tuttavia in questo caso particolare, si intendono realizzare anche prove trasmissive che utilizzino per l'amplificazione i Linear Optical Amplifier (LOA) o dispositivi analoghi di tipo Gain Clamped, ossia ottimizzati per la modulazione IM. Queste prove dipendono in modo critico dalla disponibilità di questi dispositivi, che risulta al momento incerta, visto lo scarso successo commerciale e le dichiarate intenzioni di riposizionamento delle ditte produttrici. Inizio: t0+12 Fine: t0+18 T.3.5 – Esperimenti di trasmissione con SOA in linea Sulla base dei risultati che verranno conseguiti in tutte le attività precedenti, in questa attività si vuole realizzare sistemi WDM multi-tratta con formati di modulazione CE, cercando di raggiungere la distanza massima possibile con la maggiore capacità trasmissiva. A questo scopo sarà probabilmente necessario definire una opportuna strategia di compensazione della dispersione cromatica ("dispersion map") in modo da limitare gli effetti della dispersione cromatica, che tende a modificare la condizione di inviluppo costante lungo il collegamento. Anche in questo caso, sfruttando SOA privi di isolatori ottici, si studierà la possibilità di realizzare sistemi WDM bidirezionali con amplificazione basata su SOA (condivisa nelle due direzioni di traffico). L'obiettivo di questa attività è la dimostrazione di sistemi che, utilizzando tratte da circa 80 km di fibra, raggiungano una capacità trasmissiva di 16x10 Gb/s su 400 km in configurazione unidirezionale e 16x10 Gb/s su 180 km in configurazione bidirezionale. Questi due risultati, come si può evincere dalla "Base Scientifica di partenza nazionale ed internazionale" si collocherebbero a livelli record per quanto riguarda sistemi di trasmissione basati su SOA (per quanto riguarda il sistema bidirezionale si tratterebbe in assoluto del primo realizzato senza l'utilizzo di tecniche di controllo del guadagno dei SOA). Inizio: t0+12 Fine: t0+18 T.3.6 – Esperimenti di trasmissione su fibra installata ("field trial") Due tra i partner del progetto hanno dichiarato la disponibilità a accedere a linee di fibra installata (POLITO su un anello di fibra, ROMA su una linea ripiegata). Si intende sfruttare queste dotazioni per effettuare prove di sistema su fibra in campo ("field trial"), per verificare le potenzialità dei sistemi CE con SOA in un ambito più sfidante. Gli esperimenti di questo tipo potrebbero tenersi sia a Roma che a Torino, poichè le fibre installate hanno caratteristiche diverse in termini di lunghezza e tipo di fibra (come illustrato nei mod. B delle due unità). In T.3.6, i proponenti intendono dimostrare la trasmissione in linea installata di sistemi WDM-CE con SOA, con misure di rapporto-segnale rumore, diagrammi ad occhio e tasso di errore (BER) sui diversi canali a 10 Gbit/s. Questo tipo di misura è caratteristico dei progetti di livello internazionale e richiede un forte coordinamento tra i partner oltre alla disponibilità a significativi scambi di personale e attrezzature. L'attività T.3.6 va pertanto vista come un tentativo, ambizioso, di proporre su scala nazionale una sperimentazione di altissimo livello. Essa deriva direttamente dai risultati e dalle competenze maturate nelle attività T.3.2 e T.3.5. Pertanto l'unità PISA sarà fortemente impegnata anche nell'attività T.3.6. Sulla base dei risultati ottenuti nel progetto, contribuirà all'individuazione di uno (o più) formati CE e di una (o più) configurazione di linea idonea per la sperimentazione. In seguito, fornirà personale e strumentazione per la realizzazione degli esperimenti. In considerazione dei limitati mezzi a disposizione e della difficoltà oggettiva degli esperimenti su fibra installata, è possibile che uno dei due "field trial" possa non essere effettuato. Inizio: t0+18 Fine: t0+24