RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

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

Università di riferimento

Università degli Studi di ROMA "Tor Vergata" - INGEGNERIA ELETTRONICA - ROMA(RM)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Silvello BETTI

Descrizione

La principale attività che l'Unità si propone di svolgere riguarda la simulazione di Amplificatori Ottici a Semiconduttore (SOA) in differenti condizioni di funzionamento, con parallela, sia pur parziale, caratterizzazione sperimentale del dispositivo stesso, sulla base della proposta di progetto allegata alla presente descrizione, la quale verrà spiegata dettagliatamente nel Modello A. WP2-T2.1 modello e caratterizzazione dei SOA E' stato messo a punto un modello di funzionamento del SOA a partire dalle "rate equations" che governano la densità di carica e di fotoni e la variazione di fase del campo ottico dipendente dalla concentrazione di carica. In realtà, il comportamento del SOA è fortemente dipendente dalla potenza ottica di ingresso, tanto da poter distinguere due regimi di funzionamento: - regime lineare ("piccoli" segnali in ingresso); - regime di saturazione ("grandi" segnali in ingresso). Quando si cerca di simulare il comportamento del SOA, è importante che il simulatore stesso individui le transizioni da un regime all'altro in modo da poter applicare il modello corretto. In ogni caso non è possibile definire una netta separazione tra i due regimi, in quanto il comportamento di "confine" dipende dai parametri intrinseci, fisici e geometrici, del dispositivo e dalla corrente di polarizzazione. Nel modello di simulazione si assume che il mezzo sia omogeneo e isotropo, per cui non è necessario tener conto delle variazioni dell'indice di rifrazione in funzione dello spazio ma si considera tale parametro come funzione della densità di carica. Determinare il corretto andamento delle variazioni dell'indice di rifrazione è fondamentale per valutare l'evoluzione temporale e spaziale della fase del campo che si propaga all'interno del SOA. Regime lineare Qualora la potenza ottica in ingresso al SOA sia sufficientemente bassa, è possibile considerare che il dispositivo operi in regime lineare: il guadagno dipende linearmente dalla densità di carica, il guadagno differenziale è costante ed il SOA funziona come un amplificatore. In queste condizioni è stato considerato il seguente sistema di equazioni differenziali [1]: La densità dei fotoni dipende dalla potenza istantanea in ingresso , il guadagno del modo è dato da . Nel precedente set di equazioni non è riportata alcuna dipendenza dalla lunghezza d'onda del segnale ottico. Dato che l'Unità di Ricerca si propone di valutare le prestazioni del SOA nel caso di sistemi WDM con canali caratterizzati da formati di modulazione ad inviluppo costante, è necessario estendere il modello ed introdurre nella equazione della densità di carica Stot(z, t) al posto di S(z, t), considerando la somma della densità di fotoni su tutti i canali. Inoltre è necessario valutare l'effetto su dovuto alla modulazione angolare dei canali. Si rende pertanto necessario aggiungere al sistema N−1 equazioni di densità fotonica (nel caso di N canali), in cui le variazioni di concentrazione dipendono dal guadagno spettrale . Qualora i canali siano "addensati" in una banda stretta intorno al picco di guadagno, il guadagno stesso viene considerato costante nell'intervallo di frequenza di interesse, mentre è costante. Ovviamente tale ipotesi può essere assunta solo se la potenza ottica complessiva che alimenta il SOA è relativamente bassa. Una parte della potenza ottica che esce dal SOA è ovviamente generata dalla emissione spontanea (ASE) in ciascuna sezione elementare, che viene amplificata nelle sezioni successive. Risulta quindi essenziale che l'ASE sia contenuta affinché il dispositivo continui ad operare in regime lineare. L'Unità modificherà opportunamente il simulatore attualmente impiegato in modo da tener conto delle nuove condizioni di funzionamento, determinate principalmente dalla particolare canalizzazione WDM. In particolare, allo scopo di fornire risultati simulativi che possano essere utili per l'attività sperimentale svolta dall'Unità di PISA nell'ambito del WP3-T3.5 esperimenti con SOA in linea, particolare attenzione sarà rivolta alla valutazione dell'impatto sui canali WDM con modulazione ad inviluppo costante, delle distorsioni di intermodulazione dovute all'effetto FWM nel SOA, fenomeno che potrebbe risultare essere il principale fattore limitante in sistemi WDM con SOA utilizzati come amplificatori in linea. Regime di saturazione In molti casi il SOA opera in regime non lineare, per il quale viene utilizzato un modello che si basa sul seguente sistema di equazioni differenziali [2]: Queste equazioni governano il SOA in regime di saturazione, cioè nel caso di "grandi" segnali in ingresso. Nelle precedenti equazioni si considera il guadagno del dispositivo dipendente dalla lunghezza d'onda secondo le seguenti relazioni [3], [4] in cui è il guadagno del materiale, Kg è una costante nella banda di interesse [4], è la densità congiunta degli stati ed epsilon è il coefficiente di guadagno non lineare. Si noti che il guadagno del materiale è una funzione della densità di carica attraverso i quasi livelli di Fermi ( e ) in banda di conduzione e di valenza. Lo spostamento in frequenza della curva di guadagno è una conseguenza del riempimento di banda. Inoltre un guadagno non lineare determina una variazione non lineare della fase del campo. In regime dinamico, nel caso in cui il livello di potenza ottica in ingresso si presenti con ampie escursioni, deve essere ricalcolato ad ogni passo della simulazione. L'emissione spontanea dipende anch'essa dalla lunghezza d'onda, attraverso il tasso di emissione spontanea [4] Il simulatore del SOA finora sviluppato dall'Unità è in grado di fornire informazioni relative agli effetti di saturazione e può essere sviluppato in modo da analizzare non solo i fenomeni dinamici associati a variazioni del guadagno [2, 3] del dispositivo, ma anche quelli dovuti a variazioni della fase, i quali potrebbero risultare rilevanti nel caso di segnali con modulazione angolare ad elevata velocità di trasmissione e, a maggior ragione, per sistemi WDM caratterizzati da canali con questo tipo di modulazione. Al fine di verificare, seppure in maniera parziale, i risultati delle simulazioni, nell'ambito del WP2-T2.1 modello e caratterizzazione dei SOA, l'Unità intende pianificare un'attività sperimentale il cui obiettivo principale è rappresentato dalla caratterizzazione del SOA relativamente a variazioni dinamiche del guadagno e della fase [5]. A tal fine l'Unità intende effettuare misure di tipo "pump-probe" con impulsi ottici di durata pari a circa 25 ps, che possono essere generati mediante la strumentazione attualmente disponibile in laboratorio. Tali misure sono utili per la caratterizzazione dei SOA poiché le dinamiche indotte sul dispositivo dalla pompa sembrerebbero determinare un ritardo temporale tra la risposta del guadagno e quella della fase, ritardo che potrebbe avere effetti non trascurabili in trasmissioni ad elevato bit-rate, anche nel caso di segnali modulati di fase o di frequenza. WP3-T3.2 esperimenti con SOA booster+pre Nella seconda fase del progetto, l'Unità intende operare congiuntamente con l'Unità di Ricerca di PISA allo scopo di verificare sperimentalmente il funzionamento di alcuni dei SOA disponibili, quando questi siano utilizzati come booster e/o pre-amplificatori in collegamenti in fibra ottica, per la trasmissione di canali WDM ad elevata velocità di trasmissione, con formati di modulazione ad inviluppo costante (ad esempio, DPSK e POLSK). Inoltre, l'Unità si propone di collaborare con l'Unità di PISA anche per l'attività sperimentale che riguarda la valutazione degli effetti dovuti al FWM nel SOA sui canali WDM con modulazione ad inviluppo costante. Questa attività prevede quindi che personale dell'Unità di ROMA possa essere distaccato per un periodo da definire presso PISA per effettuare congiuntamente misure di laboratorio. WP3-T3.6 esperimenti in campo Infine, nella fase finale del progetto, l'Unità opererà congiuntamente con le altre per gli esperimenti "su campo" che saranno progettati in seguito all'attività sperimentale di laboratorio. Tali esperimenti potranno essere effettuati a Torino e a Roma, utilizzando in questo caso un cavo ottico multifibre di lunghezza pari a 25 km (Roma-Pomezia), contenente fibre SR (Step-Reduced), DS (Dispersion Shifted, ITU T G.653) e NZD (Non-Zero Dispersion, ITU T G.655), situato presso l'ISCTI (Istituto Superiore delle Comunicazioni e delle Tecnologie dell'Informazione). Tale infrastruttura permetterebbe quindi di effettuare misure su campo con fibre differenti e con passo di amplificazione di 50 km o multipli. La possibilità di effettuare misure su tale infrastruttura è garantita nell'ambito di un rapporto di Convenzione stipulato tra ISCTI e Università degli Studi di Roma "Tor Vergata", finalizzato allo svolgimento di attività didattica e di ricerca scientifica. Bibliografia [1] J. Mørk, A. Mecozzi "The modulation response of a semiconductor laser amplifier" IEEE J. Selected Topics in Quantum Electron., vol.5, n°3, pp.851-860, May-June 1999. [2] A.Reale, A. Di Carlo, P. Lugli "Gain dynamics in travelling-wave semiconductor optical amplifiers", IEEE J. Selected Topics in Quantum Electron. vol.7, pp.293-299, 2001. [3] A. Uskov, J. Mørk, J. Mark "Theory of short-pulse gain saturation in semiconductor laser amplifiers", IEEE Photonics Tech. Letters, vol.4, n°3, pp.443-446, 1992. [4] Y. Boucher, A. Sharaiha, "Spectral properties of amplified spontaneous emission in semiconductor optical amplifiers", IEEE J. Quantum Electron., vol.36, pp.708-720, 2000. [5] I. Kang, C. Dorrer, "Measurements of gain and phase dynamics of a semiconductor optical amplifier using spectrograms",OFC 2004,Los Angeles (California), February 22-27,2004, MF43.