DESCRIZIONE. "Metodo e dispositivo moltiplicatore di frequenza tutto ottico" ****** RIASSUNTO (figura 2)

Transcript

1 DESCRIZIONE del Brevetto per Invenzione Industriale dal titolo: "Metodo e dispositivo moltiplicatore di frequenza tutto ottico" ****** RIASSUNTO (figura 2) Un metodo per la produzione di impulsi ottici a più alta frequenza mediante moltiplicazione di frequenza di una sorgente di impulsi ottici a frequenza minore, comprende il prelevare gli impulsi dalla sorgente, applicarli ad un elemento ottico non lineare in modo da ampliare lo spettro di impulsi in ingresso e poi applicare gli impulsi a spettro espanso ad un elemento ottico lineare per produrre una moltiplicazione di frequenza, così da ottenere all uscita i desiderati impulsi a più alta frequenza. È anche descritto un generatore (10) di impulsi ottici a frequenza elevata, comprende una sorgente (11) di impulsi ottici a frequenza minore, un dispositivo (14) di espansione della banda mediante un elemento ottico non lineare (12), e un elemento ottico lineare (15) al quale sono applicati gli impulsi a spettro espanso e alla cui uscita si estraggono gli impulsi ottici moltiplicati a frequenza elevata

2 "Metodo e dispositivo moltiplicatore di frequenza tutto ottico" titolare: con sede in: ****** La presente invenzione si riferisce ad un metodo e ad un dispositivo per ottenere una moltiplicazione di frequenza con alto fattore di moltiplicazione, sfruttando l espansione di spettro per mezzo del chirping e l effetto Talbot. Sorgenti stabili per treni di impulsi a tasso di ripetizione ultra velocestanno diventando di grande rilevanza nello sviluppo di future comunicazioni tutte ottiche ad alta velocità, così come i sistemi di multiplazione ottica a divisione di tempo (OTDM=Optical Time Division Multiplexing) e le reti a commutazione ottica di pacchetto (OPS=Optical Packet Switching). Svariate tecniche per la generazione stabile di treni di impulsi ad alto tasso di ripetizione sono state fino ad ora proposte usando mode-locking di ordine superiore in un laser con cavità in fibra, modulatori elettro-ottici veloci, metodi di splitdelay, ecc. Comunque, ci sono parecchie difficoltà nella generazione diretta di brevi impulsi di alta qualità ad un tasso di ripetizione oltre i 40GHZ o i 160 GHz. Ad esempio, il mode-locking richiede la stabilizzazione di temperatura e un complesso controllo elettronico di retroazione mentre la necessità di componenti elettronici ad alta velocità rappresenta il principale limite tecnologico per qualsiasi schema che coinvolga modulatori elettro-ottici. Il metodo dello split-delay ha invece lo svantaggio di una intrinseca alta perdita di inserzione. Scopo generale della presente invenzione è ovviare agli inconvenienti sopra menzionati fornendo un moltiplicatore sfrutta fenomeni lineari e non lineari nelle - 2 -

3 fibre per incrementare il tasso di ripetizione di una sorgente pulsante usando tecniche tutte ottiche. In vista di tale scopo si è pensato di realizzare, secondo l'invenzione, un generatore di impulsi ottici a frequenza elevata, comprendente: -una sorgente di impulsi ottici a frequenza minore; -un elemento ottico non lineare nel quale sono applicati gli impulsi provenienti dalla sorgente per produrne una espansione dello spettro degli impulsi; -un elemento ottico lineare alla cui uscita si estraggono gli impulsi ottici moltiplicati a frequenza elevata e al quale sono applicati gli impulsi a spettro espanso in uscita dall elemento ottico non lineare. Sempre secondo l invenzione si è pensato di realizzare un metodo per la produzione di impulsi ottici a più alta frequenza mediante moltiplicazione di frequenza di una sorgente di impulsi ottici a frequenza minore, comprendente il prelevare gli impulsi dalla sorgente, applicarli ad un elemento ottico non lineare in modo da ampliare lo spettro di impulsi in ingresso e poi applicare gli impulsi a spettro espanso ad un elemento ottico lineare per produrre una moltiplicazione di frequenza, così da ottenere all uscita i desiderati impulsi a più alta frequenza. Per rendere più chiara la spiegazione dei principi innovativi della presente invenzione ed i suoi vantaggi rispetto alla tecnica nota si descriverà di seguito, con l'aiuto dei disegni allegati, una possibile realizzazione esemplificativa applicante tali principi. Nei disegni: -figura 1 rappresenta l interpretazione spettrale della moltiplicazione di frequenza; -figura 2 rappresenta uno schema di un moltiplicatore impiegante i principi dell invenzione; -figura 3 rappresenta un grafico di un segnale in uscita da una fibra lineare del - 3 -

4 moltiplicatore di figura 2; -figura 4 rappresenta i grafici di ingresso (a sinistra) e di uscita (a destra) delle autocorrelazioni del segnale nel moltiplicatore di figura 2; -figura 5 rappresenta i risultati sperimentali dello spettro del segnale in ingresso e uscita di una fibra altamente non lineare presente nel moltiplicatore di figura 2. Verranno di seguito descritti i principi dell invenzione. Quando tutti i modi di una cavità laser sono forzati per avere lo stesso effetto relativo (il noto mode-locking ) il sistema genera un treno di impulsi ottici con una data frequenza f 0 che dipende dal processo di locking. Se il segnale è quindi trasmesso attraverso un mezzo dispersivo lineare ciascun modo lasing è affetto da uno spostamento di fase a causa della dispersione di velocità di gruppo (GVD=Group Velocity Dispersion). Può essere mostrato che per un particolare valore di dispersione la coerenza dei modi lasing è mantenuta e il segnale è esattamente lo stesso dell ingresso. Tale condizione può essere facilmente verificata usando una fibra ottica con una debole potenza di ingresso per evitare qualsiasi fenomeno non lineare. Se la pendenza della dispersione cromatica della fibra è trascurata, la ricostruzione dell impulso è ottenuta dopo una distanza pari a: z c λ D f * 2 = Dove c è la velocità della luce nel vuoto, λ la lunghezza d onda centrale del segnale, e D è la dispersione della fibra. Quando la lunghezza della fibra è z=z * /2m, dove m è un intero arbitrario, si ha una moltiplicazione delle ripetizioni di frequenza a causa del noto effetto temporale frazionario di Talbot. Dalla relazione fra i vari modi di lasing, è possibile dedurre che - 4 -

5 la frequenza di ripetizione all uscita della fibra risulta m volte la frequenza di ripetizione iniziale mode-locked degli impulsi. Da un punto di vista spettrale, ciascun modo lasing dopo una distanza z * ha la stessa fase del segnale di ingresso. Comunque, per lunghezze di fibra più corte alcuni modi possono sperimentare opposti spostamenti di fase, quindi interagendo distruttivamente. Nel caso ideale di un giusto numero di modi, come mostrato in figura 1, il fattore di moltiplicazione di frequenza può essere incrementato, opportunamente riducendo la lunghezza della fibra, fino a che il minimo numero di modi sopravvive. Una volta che lo spettro all ingresso della fibra è noto avere una data ampiezza di banda B, la frequenza massima che può essere ottenuta è f max =B/2. Tipici valori per una sorgente con mode-locking nella fibra possono essere, come esempio, indicati in: ampiezza di impulso T=3ps, B 105GHz e f 0 =10GHz. Per tali valori il fattore di moltiplicazione massimo è m=5 e può essere ottenuto usando circa 15Km di fibra Standard-Single Mode (S-SMF). Fattori di moltiplicazione più alti possono essere ottenuti solo se attraverso la fibra lineare sono lanciati spettri più ampi. La Self Phase Modulation (SPM) può essere impiegata in una fibra non lineare per ampliare lo spettro di ingresso. Una applicazione dei principi dell invenzione si ha nello schema di figura 2. In esso è mostrato un moltiplicatore, indicato genericamente con 10, impiegante tali principi. Una sorgente 11, costituita preferibilmente da un noto laser a fibra mode-locked (MLFL=Mode-Locked Fibre Laser) a 10GHz, genera un treno di impulsi, nel caso specifico di 3ps a 1550nm. Tali impulsi sono compressi impiegando la compressione solitonica ottenuta in un mezzo ottico altamente non lineare 12 per provocare la voluta espansione dello - 5 -

6 spettro. Tale mezzo è composto da una fibra altamente non lineare (HNLF=Highly NonLinear Fiber), nella quale sono immessi gli impulsi dopo il passaggio in un amplificatore EDFA 13. Nella stessa fibra è possibile cambiare l ammontare di SPM cambiando la potenza di uscita dell amplificatore EDFA. In sostanza, l amplificatore 13 e la fibra non lineare 12 realizzano un dispositivo 14 di espansione di banda, mediante compressione solitonica e chirping del segnale in ingresso. Il segnale così ottenuto è quindi propagato attraverso un adatto mezzo ottico lineare 15, realizzato con una fibra lineare, in modo da provocare l effetto Talbot. Sull uscita 16 si ha così il segnale finale moltiplicato. Preferibilmente la fibra non lineare ha coefficiente non lineare uguale o maggiore di di γ=10w -1 Km -1. In una realizzazione pratica, si è scelta una fibra HNFL con coefficiente non lineare di γ=10w -1 Km -1 e, impiegandone 260m, si è ottenuta una compressione a 180fs degli impulsi prodotti dalla sorgente 11. Sempre vantaggiosamente, la fibra lineare 15 è stata scelta con un valore di dispersione cromatica a 1550nm almeno pari a D=5ps/nm/Km e se se sono impiegati 500m. Con tali valori, senza alcun chirp addizionale, la ampiezza di banda del segnale all ingresso della fibra lineare 15 è circa B no chirp =1.5THz (circa 12.6nm). Il massimo fattore di moltiplicazione può essere calcolato pari a m=75 se si usasse z=3km. Una analisi numerica ottenuta usando un noto metodo di propagazione split-step fornisce come risultato che all uscita 16 della fibra lineare si avrebbe il segnale a 750GHz mostrato in figura 3. Incrementando però la potenza dell EDFA 13 all ingresso della fibra HNLF 12 è possibile incrementare il chirp dell impulso prodotto dallo SPM, quindi espandendo lo spettro fino, ad esempio, a circa 5THz (40nm). Tale spettro è stato - 6 -

7 sperimentalmente misurato su un prototipo del circuito di figura 2 e il risultato è mostrato in figura 5. Usando il nuovo dato ottenuto è possibile progettare la fibra per avere un fattore di moltiplicazione massimo di m=250, così che con un segnale di ingresso di, ad esempio, 10 GHz si ottiene in uscita un segnale di 2.5THz. L autocorrelazione del segnale di ingresso misurata dopo la compressione solitonica è mostrata in figura 4 a sinistra, mentre il segnale di uscita multiplato in frequenza a 2.5THz è tracciata in figura 4 a destra. La traccia di autocorrelazione normalizzata mostra un alto piedistallo a causa del prechirping non lineare. Ciò è più chiaramente apprezzabile guardando lo spettro di uscita mostrato in figura 5. Infatti, anche se la sua forma non è distorta, qualsiasi cancellazione di modo è chiaramente visibile. Tale svantaggio è però completamente compensato dal vantaggio di potere ottenere comunque un moltiplicatore di frequenza in grado di raggiungere un fattore di moltiplicazione di frequenza molto elevato tutto otticamente. A questo punto è chiaro come si siano raggiunti gli scopi prefissati, ottenendo un moltiplicatore tutto ottico di alta qualità sfruttando l effetto Talbot in una adatta fibra ottica e il pre-chirping non lineare dell impulso di ingresso. L efficacia dell idea è dimostrata numericamente e sperimentalmente dall ottenimento di un segnale di clock a 2.5 THz per mezzo della moltiplicazione di frequenza a 250 ripetizioni di un treno di impulsi a 10GHz. Naturalmente, la descrizione sopra fatta di una realizzazione applicante i principi innovativi della presente invenzione è riportata a titolo esemplificativo di tali principi innovativi e non deve perciò essere presa a limitazione dell'ambito di privativa qui rivendicato

8 - 8 -

9 RIVENDICAZIONI 1. Generatore di impulsi ottici a frequenza elevata, comprendente: -una sorgente di impulsi ottici a frequenza minore; -un elemento ottico non lineare nel quale sono applicati gli impulsi provenienti dalla sorgente per produrne una espansione dello spettro degli impulsi; -un elemento ottico lineare alla cui uscita si estraggono gli impulsi ottici moltiplicati a frequenza elevata e al quale sono applicati gli impulsi a spettro espanso in uscita dall elemento ottico non lineare. 2. Generatore secondo rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che all ingresso dell elemento ottico non lineare è presente un amplificatore ottico. 3. Generatore secondo rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che l amplificatore ottico è un EDFA. 4. Generatore secondo rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che l elemento ottico non lineare è uno spezzone di fibra altamente non lineare. 5. Generatore secondo rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che lo spezzone di fibra altamente non lineare ha coefficiente non lineare uguale o maggiore di γ=10w -1 Km Generatore secondo rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che l elemento ottico lineare è uno spezzone di fibra lineare. 7. Generatore secondo rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che lo spezzone di fibra lineare ha un valore di dispersione cromatica a 1550nm almeno di D=5ps/nm/Km. 8. Generatore secondo rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la sorgente di impulsi è un laser a fibra. 9. Generatore secondo rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la sorgente di - 9 -

10 impulsi genera impulsi a 10GHz. 10. Metodo per la produzione di impulsi ottici a più alta frequenza mediante moltiplicazione di frequenza di una sorgente di impulsi ottici a frequenza minore, comprendente il prelevare gli impulsi dalla sorgente, applicarli ad un elemento ottico non lineare in modo da ampliare lo spettro di impulsi in ingresso e poi applicare gli impulsi a spettro espanso ad un elemento ottico lineare per produrre una moltiplicazione di frequenza, così da ottenere all uscita i desiderati impulsi a più alta frequenza

11 Tav.I 1 2 3

12 Tav.II 4 5