RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

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

Università di riferimento

Politecnico di TORINO - ELETTRONICA - TORINO(TO)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Pierluigi POGGIOLINI

Descrizione

Il progetto TOSCA e' diviso in tre "fasi" o "work-packages" (WP) e 13 "compiti" o "task". Un diagramma Gantt e' accluso. Il programma di ricerca per POLITO comprende sia lavoro teorico, sia sperimentale, sebbene quest'ultimo prevalga in termini di risorse umane ed economiche. Gli aspetti teorici riguardano: 1) codice computazionalmente efficiente per la simulazione di SOA, comprendente XGM, FWM e rumore ASE, basato su di una approssimazione concentrata del componente (T2.1) 2) simulazioni WDM multi-tratta, con i modelli di SOA sviluppati in TOSCA, per i formati a inviluppo costante (CE) di interesse (T2.4) Il lavoro sperimentale riguardera': 1) la costruzione ed il test di vari moduli TX ed RX per i differenti formati (task T1.1, T1.2, T1.3) 2) caratterizzazione e test in "back-to-back" delle coppie TX/RX 3) valutazione delle prestazioni dell'IM/DD con SOA e LOA, per confronto e "benchmarking" rispetto ai formati CE proposti (T3.4) 4) prova in campo finale di sistema WDM amplificato con SOA, effettuata sul Testbed FASTWEB (v. sotto Infrastrutture), task T3.6. Nel seguito verra' data una descrizione dettagliata del programma di ricerca, preceduta dalla presentazione del laboratorio PhotonLab e dei suoi rapporti internazionali.

L'unita' POLITO ha un forte interesse nel progetto TOSCA ed ha deciso di cofinanziarlo con fondi propri per una percentuale maggiore del minimo richiesto dal ministero: 40% rispetto al 30%. Questo interesse e' condiviso da importanti aziende, le cui lettere di sponsorizzazione sono accluse al modello A. CISCO ed AVANEX potranno fornire componenti mentre FASTWEB consente l'uso di un importante Testbed (v. sotto). L'INFRASTRUTTURA PHOTONLAB POLITO svolgera' le complesse ricerche sperimentali riassunte sopra (e dettagliate nel seguito) nel suo nuovo laboratorio, denominato PhotonLab (www.photonlab.org o www.optcom.polito.it/photonlab.htm ). PhotonLab si estende su oltre 200 mq in aria pulita classe 10000, su pavimento antivibrante. Comprende un laboratorio principale "Sistemi", un laboratorio di fabbricazione circuiti elettronici ed una camera bianca classe 1000. Dispone, fra gli altri, di un BER tester a 12.5 Gbit/s, un oscilloscopio da 50 GHz, numerosi analizzatori di spettro ottico, laser sintonizzabili, un analizzatore di componenti ottici da 20 GHz, un analizzatore di rete da 40 GHz, un analizzatore di polarizzazione/PMD, numerosi EDFAs e 500 km di fibra Truewave RS. Complessivamente, la strumentazione disponibile ammonta a circa 2 milioni di Euro, oltre ad altri 2 milioni di Euro di componenti ottici ed elettro-ottici, in buona parte donati da CISCO Photonics, Corning, Marconi ed Agilent Technologies. Oltre a cio', PhotonLab ha recentemente ricevuto un finanziamento diretto di 1.3 milioni di Euro dal Politecnico di Torino per ulteriori investimenti in strumentazione. Dal gennaio 2004 l'innovativo operatore FASTWEB ha sponsorizzato PhotonLab fornendo accesso dal laboratorio ad 8 anelli di fibra installata per un totale di 240 km. La fibra e' di tipo singolo-modo standard, G.652, e appartiene a cavi operativi installati in Torino (v. figura acclusa). Tali anelli costituiscono un "testbed" eccellente per prove in campo realistiche nell'ambiente metropolitano. POLITO impieghera' il testbed nella fase di sviluppo dei TX ed RX, e soprattutto per il "field-trial" finale di TOSCA.

PhotonLab e' stato ammesso nel consorzio eiTT che include le universita' di Eindhoven (COBRA), Copenhagen (COM), Ghent (INTEC) e Duisburg-Essen. Il Politecnico di Torino, con PhotonLab, coordina la rete di eccellenza sulle reti ottiche E-Photon/ONE, finanziata dalla Comunita' Europea nel FP6 (coordinatore: Prof. Fabio Neri). La rete comprende 38 partners, di cui 30 accademici e 8 industriali. Il coordinatore dell'unita' POLITO di TOSCA e' il "leader" del "Dipartimento Virtuale" di E-Photon/ONE che si occupa specificamente di "Tecnologie trasmissive per reti a larga banda". Come tale, potra' avere una buona visibilita' sugli sviluppi nel settore. Inoltre, se il progetto TOSCA verra' finanziato, si prevede che sui suoi temi di ricerca si possano effettuare scambi anche internazionali di studenti/staff nell'ambito di E-Photon/ONE. DESCRIZIONE DETTAGLIATA DEL PROGRAMMA DI RICERCA WP1 POLITO ha un ruolo preminente in WP1, dal momento che si occupera' della costruzione della maggior parte dei TX ed RX per i formati CE, a 10 Gbit/s. Nel seguito si indica l'inizio e la fine dei task, in mesi, relativi al momento di accensione del progetto (t0). T1.1 (t0+0 - t0+6) Verra' costruito un DPSK RX, basato sulla configurazione (b) indicata in Sez. 2.4, con un interferometro Mach-Zehnder asimmetrico (AMZI) ed un singolo fotodiodo. L'AMZI sara' "vetro-su-silicio" e sara' acquisito come prototipo speciale da una delle maggiori aziende di componentistica. POLITO inoltre fabbrichera' in laboratorio un AMZI in fibra. Il componente verra' poi attentamente misurato per caratterizzarne la stabilita', sintonizzabilita' in temperatura e insensibilita' alla polarizzazione, rispetto al componente integrato "vetro-su-silicio". La realizzazione di un DPSK RX di tipo (a) con un fotodiodo doppio bilanciato integrato verra' altresi' tentata, risorse permettendo, ricorrendo a due approcci alternativi: l'acquisto del fotodiodo doppio sul mercato, se disponibile; l'impiego di due fotodiodi separati, connessi ad un amplificatore con banda 10 GHz ed ingresso differenziale di cui l'unita' gia' dispone. Quest'ultima soluzione ha certamente prestazioni inferiori ma e' maggiormente flessibile e rende possibile il test della sensibilita' dell'RX ad asimmetrie, anche appositamente indotte, nel front-end. Altre strutture tipo (c) potranno essere investigate. Un DPSK TX basato su modulatore di fase LiNbO3 ed uno basato su di un MZ in LiNbO3 verranno costruiti e testati assieme agli RX. I diversi TX ed RX verranno poi trasferiti al task T3.1 per caratterizzazione e prove back-to-back. Gli RX saranno anche usati come base per realizzare gli RX per CPFSK/MSK in T1.3. T1.2 (t0+3 - t0+9) POLITO realizzera' un TX POLSK basato su di un modulatore di fase con lancio a 45 gradi (vedi Sez. 2.4). Sia la caratteristica di modulazione di polarizzazione, sia quella di modulazione di fase spuria (chirp) verranno attentamente misurate. Il componente verra' probabilmente acquisito come prestito da AVANEX. Si studiera' inoltre la possibilita' di realizzare un modulatore POLSK privo di chirp, basato su di un MZ in LiNbO3 a doppia uscita, seguito da un PBS. Se tempo e risorse lo permetteranno, questo modulatore verra' implementato, specialmente per fornire un riferimento rispetto al meno costoso, ma meno performante, modulatore con chirp. POLITO construira' un POLSK RX basato su di un PBS seguito da un singolo fotodiodo. Una versione costituita da un PBS seguito da un fotodiodo doppio bilanciato verra' anche realizzata, se tempo e risorse lo permetteranno, secondo linee simili a quanto descritto per il DPSK (usando un componente integrato se disponibile commercialmente, oppure una versione discreta basata su di un amplificatore differenziale a larga banda). Tutti questi RX necessitano di essere preceduti da un rotatore di polarizzazione, usato per allineare i due stati di polarizzazione generati al TX con gli assi del PBS dell'RX. Inizialmente, questo rotatore verra' regolato manualmente. In seguito, si tentera' di realizzare, risorse permttendo, un rotatore controllato automaticamente. Il rotatore sara' di tipo piezo-elettrico ed il controllore verra' realizzato con un PC. POLITO dispone gia' di un rotatore di polarizzazione CORNING adeguato. POLITO realizzera' l'opportuno software di controllo in tempo reale. La velocita' del controllo non sara' il parametro principale del progetto, dal momento che tanto i dati di letteratura, quanto le misure dirette sul testbed FATSWEB, hanno riportato costanti di tempo di variazione della polarizzazione dell'ordine di minuti. Cio' nonostante, si cerchera' di rendere il controllo il piu' veloce possibile, idealmente tanto da evitare perdita di allineamento nel caso tipico di scuotimento accidentale di una fibra da parte di un operatore. Allo scopo di esplorare la realizzabilita' di strutture di RX piu' economiche, che non richiedano l'allineamento di polarizzazione, il principio dell'RX POLSK differenziale verra' prima studiato ed in seguito, se praticabile, implementato. Sebbene non esista letteratura in proposito, sembra che un AMZI simile a quello usato per il DPSK potrebbe demodulare anche i segnali POLSK, sia pur con una penalita'. Inoltre, e' forse possibile ricorrere a strutture ancora piu' semplici, basate sull'approssimazione mediante opportuno filtro ottico della funzione di trasferimento dell'AMZI. Anche questa soluzione verra' valutata e, se tempo e risorse lo permetteranno, implementata. T1.3 (t0+3 - t0+12) Come riferito in Sez. 2.4, la demodulazione CPFSK/MSK puo' essere effettuata in maniera simile al DPSK. Le strutture possibili per il ricevitore sono identiche. Cio' che cambia e' il valore e l'ottimizzazione dei parametri dell'AMZI o del filtro ottico eventualmente usato in luogo dell'AMZI. Pertanto, POLITO affrontera' la realizzazione degli RX per il CPFSK secondo un piano di lavoro allineato con quanto riportato in T1.1 per il DPSK. Se possibile, gli stessi RX verranno usati per entrambi i formati, eventualmente con diversi AMZI/filtri e diversa regolazione dei parametri. Per quanto concerne il TX, inizialmente si utilizzera' la semplice modulazione diretta di un diodo laser. La presenza di "buchi" nella risposta FM in bassa frequenza (v. Sez. 2.4) verra' valutata e caratterizzata, possibilmente su piu' di un modello di laser, assieme alla modulazione spuria AM. Test sarano condotti in parallelo con T3.3, dove verra' effettuato il test back-to-back delle coppie TX/RX. A seconda dei risultati di penalita' dovuti alla presenza del "buco" FM, si studieranno ed implementeranno contromisure, nei limiti resi possibili dal budget. Tra queste: ottimizzazione del bias e di altri parametri operativi del laser; selezione sui laser; uso di laser multielettrodo ottimizzati per FM (commerciali o sotto forma di prestito); codici di linea per svuotare lo spettro di modulazione alla frequenza del "buco". Per l'implementazione effettiva dei codici di linea sarebbe necessario realizzare un ASIC, cosa evidentemente impossibile a 10 Gbit/s nell'ambito di questo progetto. Tuttavia, un run di codice puo' essere precalcolato e caricato sul BER tester, in modo da emularne l'effettivo uso. A causa della modulazione diretta della sorgente, i test di sistema WDM CPFSK dei task T3.2, T3.5 e T3.6 richiedono piu' di un TX, al contrario di POLSK e DPSK dove un singolo modulatore esterno puo' modulare contemporaneamente un intero pettine di frequenze. A seconda della disponibilita' di tempo e risorse, almeno due e preferibilmente tre CPFSK TX saranno realizzati. La presenza di ulteriori canali nell'esperimento potrebbe essere ottenuta tramite modulazione FM diretta di altri laser non specificamente ottimizzati. WP2 T2.1 (t0+0 - t0+9) L'unita' POLITO studiera' un modello di SOA nel dominio del tempo, adatto ad essere incluso nel pacchetto OptSim. Il codice sara' computazionalmente efficiente per permettere la simulazione di sistemi complessi WDM multi-span. Si basera' su di un modello "concentrato" (non "traveling-wave") simile a [28]. Benche' approssimato, includera' saturazione del guadagno, XGM, FWM, e rumore ASE. Una procedura di identificazione sperimentale sara' inoltre definita. Il modello servira' in T2.4. L'unita' di ROMA si concentrera' invece su di un modello piu' sofisticato ma piu' computazionalmente intensivo. T2.4 (t0+9 - t0+18) POLITO effettuera' simulazioni WDM multi-span, utilizzando il modello SOA da T2.1. Lo scopo di questo task e' di predire le prestazioni dei formati CE con SOA in contesto WDM, e paragonarle all'IM/DD. Verra' effettuata numericamente l'ottimizzazione dei parametri del formato, dei sottosistemi e del sistema complessivo, in modo da individuare le prestazioni ultime dell'uso dei SOA, da verificarsi in laboratorio nel WP3. Le simulazioni verranno condotte in coordinamento con l'unita' di PISA che impieghera' i risultati come benchmark per gli esperimenti di T3.2 e T3.5. WP3 T3.1 (t0+3 - t0+12) Prima di inviare le coppie TX/RX dei formati CE ai task sperimentali con SOA in linea, e' necessario caratterizzare approfonditamente le prestazioni delle coppie in "back-to-back", ovvero quando TX ed RX sono connessi tramite pochi metri di fibra e non vi sono dunque penalita' di propagazione. L'attenuazione viene inserita tramite un attenuatore regolabile. Il rumore ASE viene iniettato in modo controllato cosi' da poter tracciare una curva di BER rispetto al rapporto segnale-rumore ottico. In questo modo sara' possibile verificare che le coppie operino in modo soddisfaciente e si potra' stabilire un riferimento rispetto al quale la penalita' indotta dai SOA e dagli effetti propagativi potra' essere valutata. Il risultato di questo task e'costituito dalle coppie TX/RX finali, che saranno usate in T3.2, T3.5 e T3.6. L'obbiettivo minimale di POLITO e' che almeno una coppia TX/RX funzionante venga consegnata per DPSK, POLSK e CPFSK. Se tempo e risorse lo permetteranno, e in relazione ai risultati teorici e sperimentali accumulati nei precedenti task, piu' di una singola coppia per formato verra' consegnata ai task di sperimentazione di sistema. T3.2 (t0+12 - t0+18) POLITO, assieme a PISA, condurra' prove sperimentali con IM/DD su modelli di SOA selezionati, in modo da stabilire un riferimento sperimentale per potere paragonare la prestazione dei sistemi CE in analoghe condizioni, valutate in task successivi. Nel caso in cui POLITO riuscisse ad acquisire o acquistare uno o piu' LOA, l'unita' POLITO si concentrera' sul test di IM/DD WDM su questa tipologia di amplificatori. In primo luogo, i LOA verranno attentamente caratterizzati. In seguito, il XGM e specialmente il FWM verranno valutati, con particolare attenzione all'impatto di sistema. T3.6 (t0+18 - t0+24) Grazie alla disponibilita' del Testbed FASTWEB da 240 km, sara' possibile organizzare una prova in campo finale per il progetto TOSCA presso PhotonLab. Un'altra prova in campo potra' essere effettuata da ROMA su di un altro testbed. In primo luogo, le unita' decideranno quali siano i test significativi da condurre in ciascuna prova in campo, in relazione ai risultati ottenuti. In particolare, le unita' decideranno quali specifici formati, e con quali coppie TX/RX, dovranno essere testati. Inoltre, si stabilira' l'opportuna collocazione dei SOA in linea e l'eventuale mappa di dispersione. Quando questa pianificazione sara' avvenuta, e gli eventi organizzati, ciascuna prova in campo avra' luogo con una durata prevista da una a due settimane. E' prevedibile che dovra' esservi scambio di personale ed in particolare da PISA a POLITO per il "field trial" a PhotonLab. Ciascuna prova in campo e' da intendersi come "best-effort", nel senso che richiedera' la mobilitazione di un notevole numero di persone ed ingenti risorse e pertanto vi sara' una sola possibilita' (una per POLITO ed una per ROMA) di condurre la prova nei limiti del budget del progetto. Se, per qualunque ragione, si dovessero verificare problemi tecnici che richiedessero cambiamenti tali nell'esperimento da non potere essere effettuati nell'ambito delle due settimane allocate, la prova in campo dovra' probabilmente essere cancellata. Cio' non comprometterebbe la sostanza del contributo scientifico di TOSCA, accumulato nel corso di due anni di intensi studi e lavoro sperimentale. D'altro canto, l'assoluta garanzia dello svolgimento di una prova in campo finale richiederebbe di incrementare il budget richiesto in modo sostanziale, cosa che sembra incompatibile con l'attuale disponibilita' dei progetti COFIN.