Cosa c è nella lezione. In questa sezione si parlerà di: Reti in fibra ottica. Accoppiatori, splitter, isolatori e circolatori ottici. Filtri ottici.

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1 Reti in fibra ottica 1/82 Cosa c è nella lezione In questa sezione si parlerà di: Accoppiatori, splitter, isolatori e circolatori ottici Filtri ottici. 2/82

2 Reti in fibra ottica 3/82 Splitter e coupler ottici 1/3 Sitratta di componenti otticiche permettono di: dividere un segnale ottico in due (o più) repliche (splitter); combinare insieme due (o più) segnali ottici (combiner). 4/82

3 Splitter e coupler ottici 2/3 Si definiscono appartenenti a questa categoria solo queicomponenti (nominalmente) indipendenti da: frequenza - lunghezza d onda polarizzazione ottica. 5/82 Splitter e coupler ottici 3/3 input output 1 output 2 Splitter 1x2 6/82

4 Splitter e coupler ottici 3/3 output 1 input output 1 input output 2 Splitter 1x2 output N Splitter 1xN 7/82 Splitter e coupler ottici 3/3 output 1 input output 1 input output 2 Splitter 1x2 output N Splitter 1xN input 1 input 2 output Coupler 2x1 8/82

5 Splitter e coupler ottici 3/3 output 1 input output 1 input output 2 Splitter 1x2 output N Splitter 1xN input 1 output input 2 Coupler 2x1 input 1 input N output Coupler Nx1 9/82 Applicazioni Gli splitter sono utilizzati: per monitorare un segnale ottico: in questo caso le 2 uscite sono solitamente asimmetriche, ad esempio 5% della potenza sull uscita di monitoring, 95% della potenza sull altra; Splitter 95/5 Monitor 10/82

6 Applicazioni Gli splitter sono utilizzati: per monitorare un segnale ottico: in questo caso le 2 uscite sono solitamente asimmetriche, ad esempio 5% della potenza sull uscita di monitoring, 95% della potenza sull altra; per inviare lo stesso segnale ottico a molti utenti: in questo caso si utilizzano dispositivi simmetrici (stessa potenza su tutte le uscite). TX Splitter 95/5 Monitor RX 1 RX N 11/82 Applicazioni Gli splitter sono utilizzati: per monitorare un segnale ottico: in questo caso le 2 uscite sono solitamente asimmetriche, ad esempio 5% della potenza sull uscita di monitoring, 95% della potenza sull altra; per inviare lo stesso segnale ottico a molti utenti: in questo caso si utilizzano dispositivi simmetrici (stessa potenza su tutte le uscite). I coupler sono utilizzati: per convogliare sulla stessa fibra due o più segnali provenienti da sorgenti diverse. TX Splitter 95/5 Monitor RX 1 RX N TX 1 TX 2 12/82

7 Budget di potenza 1/2 Consideriamo il budget di potenza per: splitter con N uscite combiner con N ingressi. Supponiamo che sitratti di dispositivi simmetrici, cioè con divisione (o combinazione) della potenza uguale su tutte le porte. 13/82 Budget di potenza 2/2 P in Output 1 P out P out Pin 1 Pout = (scala lineare) N ε P = P 10 log ( N) ε out dbm in dbm 10 db Output N P out dove ε è detta excess loss del dispositivo (ε db >0); il dispositivo introduce dunque una attenuazione: Att = 10 log ( N) + ε db 10 db 14/82

8 Isolatori e circolatori ottici 1/2 Isolatore: equivalente ottico di un diodo: la luce può fluire in una sola direzione. Low loss (<1 db) P in P out High isolation (>40 db) 15/82 Isolatori e circolatori ottici 2/2 Circolatore: dispositivo a 2 o più porte. Il segnale ottico può fluire solo nelsenso indicato dalla freccia. Port 1 Port 2 Input Port 1 Output Port 2 Port 3 Port 2 Port 3 16/82

9 Reti in fibra ottica 17/82 Introduzione 1/2 Per filtri ottici intendiamo tutti i componenti passivi con una esplicita (e voluta) dipendenza dalla frequenza/lunghezza d onda. Solitamente si cerca invece di non avere dipendenza da: - polarizzazione ottica - Temperatura. 18/82

10 λ 1, λ 2,... λ N Filtro λ i Introduzione 2/2 Applicazione deifiltri ottici Selezione e accoppiamento di canali WDM Limitazione della banda di rumore Equalizzazione della curva di guadagno degli amplificatori ottici. 19/82 Classificazione dei filtri ottici 20/82

11 Classificazione dei filtri ottici λ 1, λ 2,... λ N Filtro λ Wavelength λ 1, λ 2,... λ N λ 2 i Multiplexer λ 1 λ N 21/82 Classificazione dei filtri ottici λ 1, λ 2,... λ N Filtro λ Wavelength λ 1, λ 2,... λ N λ 2 i Multiplexer λ 1 λ N λ 1, λ 2,... λ N Wavelength Demultiplexer λ 1 λ 2 λ N 22/82

12 Classificazione dei filtri ottici λ 1, λ 2,... λ N Filtro λ Wavelength λ 1, λ 2,... λ N λ 2 i Multiplexer λ 1 λ N λ 1, λ 2,... λ N Wavelength Demultiplexer λ 1 λ 2 λ N λ 11, λ 21,... λ N 1 λ 12, λ 22,... λ N 2 λ 1N, λ 2N,... λ Ν Ν Wavelength Routers λ 11, λ 2N,... λ N 2 λ 12, λ 21,... λ N 3 λ 1N, λ 2 N-1,... λ N 1 23/82 Caratteristiche filtri per WDM 1/5 In questa slide (e successive) esaminiamo le caratteristiche tipiche richieste per un filtro per WDM Non considereremo filtri per altre applicazioni, quali i filtri per equalizzazione del guadagno. I filtri per WDM devono sostanzialmente selezionare un determinato canale all interno di un pettine di canali WDM. 24/82

13 Caratteristiche filtri per WDM 2/5 Fiber Input Optical Filter Fiber Output 25/82 Caratteristiche filtri per WDM 2/5 Fiber Input Optical Filter Fiber Output λ 1 λ 2 λ 3 λ 4 λ 5 λ 6 λ 7 λ 26/82

14 Caratteristiche filtri per WDM 2/5 Fiber Input Optical Filter Fiber Output λ 1 λ 2 λ 3 λ 4 λ 5 λ 6 λ 7 λ λ 4 λ 27/82 Caratteristiche filtri per WDM 3/5 WDM Input Channels λ 1 λ 2 λ 3 λ 4 λ 5 λ 6 λ 7 λ 28/82

15 Caratteristiche filtri per WDM 3/5 WDM Input Channels Filter transfer function λ 1 λ 2 λ 3 λ 4 λ 5 λ 6 λ 7 λ 29/82 Caratteristiche filtri per WDM 4/5 I filtri per WDM sono dunque dei filtri passabanda, che devono avere le seguenti caratteristiche: banda passante il più possibile piatta, in modo da tollerare errori di allineamento tra filtri e canale WDM da selezionare; fronti di discesa fuori dalla banda passante il più possibile ripidi, in modo da attenuare fortemente i canali adiacenti a quello da selezionare. 30/82

16 Caratteristiche filtri per WDM 5/5 In teoria, il filtro ottimale sarebbe un filtro rettangolare in frequenza WDM Input Channels λ 1 λ 2 λ 3 λ 4 λ 5 λ 6 λ 7 λ 31/82 Caratteristiche filtri per WDM 5/5 In teoria, il filtro ottimale sarebbe un filtro rettangolare in frequenza WDM Input Channels Ideal filter transfer function λ 1 λ 2 λ 3 λ 4 λ 5 λ 6 λ 7 λ 32/82

17 Caratteristiche filtri per WDM 5/5 In teoria, il filtro ottimale sarebbe un filtro rettangolare in frequenza WDM Input Channels Ideal filter transfer function Filter transfer function λ 1 λ 2 λ 3 λ 4 λ 5 λ 6 λ 7 λ 33/82 Filtri e spettri dei segnali 1/2 Si tenga conto che il segnale occupa una certa banda, e su questa banda il filtro deve essere il più possibile piatto, al fine di non distorcere il segnale stesso. 34/82

18 Filtri e spettri dei segnali 2/2 Densità spettrale di potenza Funzione di trasferimento filtro WDM f N-1 f N f N+1 f f 35/82 Filtri e spettri dei segnali 2/2 Densità spettrale di potenza Canale da selezionare Funzione di trasferimento filtro WDM f N-1 f N f N+1 f f 36/82

19 Filtri e spettri dei segnali 2/2 Densità spettrale di potenza Canale da selezionare Funzione di trasferimento filtro WDM f N-1 f N f N+1 f f 37/82 Caratteristiche filtri per WDM 1/5 I filtri otticicommerciali vengono tipicamente caratterizzati sui datasheet tramite: banda ad 1 db: intervallo sul quale il filtro può essere considerato piatto; banda a 3 db (3-dB bandwidth): indicazione approssimata della larghezza del filtro ; banda a 30 db: indicazione sulla ripidità dei fronti di discesa. 38/82

20 Caratteristiche filtri per WDM 2/5 Power Transmission (db) -X db -X-3dB -X-10 db -X-20 db -X-30 db -X-40 db 1 db BW 3 db BW 30 db BW -X-50 db Wavelength 39/82 Caratteristiche filtri per WDM 3/5 Oltre alle caratteristiche riportate nelle slides precedenti, altre caratteristiche importanti sono: 1. bassa attenuazione (excess loss) nella banda passante; 2. bassa dipendenza dalla polarizzazione ottica (polarization dependent loss, o PDL); 3. bassa dipendenza dalla temperatura. 40/82

21 Caratteristiche filtri per WDM 4/5 Nel caso di filtri multi ingresso-uscita (mux-demux), altri parametri importanti sono: 1. Uniformità tra le funzioni di trasferimento sulle varie porte (cioè sostanzialmente uguale excess loss tra le porte). Channel Uniformity λ 1 λ 2 λ 3 λ 4 λ 5 λ 6 λ 7 λ 41/82 Caratteristiche filtri per WDM 5/5 2. Rejection dei canali laterali, definita come l attenuazione dei canali non selezionati rispetto a quello selezionato. Non-Adjacent Channel Rejection Adjacent Channel Rejection λ 1 λ 2 λ 3 λ 4 λ 5 λ 6 λ 7 λ 42/82

22 Filtri Fabry-Perot 1/4 Il più semplice filtro ottico è il cosidetto filtro Fabry-Perot (FP). Si tratta semplicemente di una coppia di specchi parzialmente riflettenti, che generano al loro interno una cavità. A causa di riflessioni multiple tra i due specchi, e di effetti di interferenza in fase o controfase tra i raggi ottici, la funzione di trasferimento ingresso-uscita dipende dalla lunghezza d onda. 43/82 Filtri Fabry-Perot 2/4 Input Output Specchio parzialmente riflettente L Specchio parzialmente riflettente 44/82

23 Filtri Fabry-Perot 2/4 Input Output Specchio parzialmente riflettente L Specchio parzialmente riflettente 45/82 Filtri Fabry-Perot 2/4 Input Output Specchio parzialmente riflettente L Specchio parzialmente riflettente 46/82

24 Filtri Fabry-Perot 2/4 Input Output Specchio parzialmente riflettente L Specchio parzialmente riflettente 47/82 Filtri Fabry-Perot 2/4 Input Output Specchio parzialmente riflettente L Specchio parzialmente riflettente 48/82

25 Filtri Fabry-Perot 2/4 Input Output Specchio parzialmente riflettente L Specchio parzialmente riflettente 49/82 Filtri Fabry-Perot 2/4 Input Output Specchio parzialmente riflettente L Specchio parzialmente riflettente 50/82

26 Filtri Fabry-Perot 3/4 In particolare, si può dimostrare che la funzione di trasferimento: 1. È periodica in frequenza 2. Ciascuno dei picchi della funzione di trasferimento è approssimabile come un filtro ad 1 singolo polo. Transfer Function (db) Frequency (GHz) 51/82 Filtri Fabry-Perot 4/4 Conseguentemente, il filtro non è adatto come filtro di ricezione WDM in quanto: 1. I fronti di discesa non sono sufficientemente ripidi 2. Il filtro è periodico. Transfer Function (db) Frequency (GHz) 52/82

27 Filtri per WDM 1/2 I filtri per WDM devono dunque essere basati su strutture più complicate dei filtri FP. Siusano strutture ottiche che sibasano comunque su effetti di interferenza, quali: 1. Dielectric Thin Multilayer Film Filters (DTMF) Sono sostanzialmente una cascata di FP. Dielectric reflector Input Cavity Cavity Cavity Output 53/82 Filtri per WDM 2/2 2. Gratings Sono strutture con variazione periodica di indice di rifrazione n(z) z 54/82

28 Filtri per WDM 2/2 2. Gratings Sono strutture con variazione periodica di indice di rifrazione n(z) λ 1,, λ g, λ N z Output Sotto opportune condizioni, un grating riflette all indietro una determinata banda di frequenze. 55/82 Filtri per WDM 2/2 2. Gratings Sono strutture con variazione periodica di indice di rifrazione n(z) λ 1,, λ g, λ N z Output λ g Sotto opportune condizioni, un grating riflette all indietro una determinata banda di frequenze. 56/82

29 Multiplatori-demultiplatori WDM Nei trasmettitori/ricevitori WDM servono filtri di multiplazione/demultiplazione, cioè filtri multi ingresso/uscita. Accenneremo ad alcune possibili tecnologie. Filtri Mach-Zehnder: basati su interferenza tra cammini otticidi lunghezza diversa. Input 3 db Splitter L+DL L 3 db Coupler Output 1 Output 2 57/82 Filtri Mach-Zehnder Filtri Mach-Zehnder: basati su interferenza tra cammini otticidi lunghezza diversa Input 3 db Splitter L+DL L 3 db Coupler Output 1 Output 2 58/82

30 Funzioni di trasferimento Mach-Zehnder T( f) f 59/82 Funzioni di trasferimento Mach-Zehnder T( f) Tinput 1( f ) f 60/82

31 Funzioni di trasferimento Mach-Zehnder T( f) Tinput 1( f ) Tinput 2( f) f 61/82 Mach-Zehnder e WDM 1/2 Questo tipo di filtro può essere utilizzato per demultiplare due canali WDM. 62/82

32 Mach-Zehnder e WDM 2/2 T( f) Canali WDM Output 1 Output 2 f f 63/82 Mach-Zehnder e WDM 2/2 T( f) Canali WDM Output 1 Output 2 f f Su output 1 64/82

33 Mach-Zehnder e WDM 2/2 T( f) Canali WDM Output 1 Output 2 f f Su output 1 Su output 2 65/82 De-Multiplexer per WDM 1/2 Per realizzare i filtri di multiplazionedemultiplazione per WDM siusano strutture basate su principi di interferenza simili alla struttura Mach-Zehender, ma con cammini multipli. La tecnologia oggi più comune è quella degli: AWG: Arrayed Waveguide Grating. 66/82

34 De-Multiplexer per WDM 2/2 Struttura filtri ottici AWG λ1, λ2,, λn Input N cammini ottici di lunghezza diversa λ 1 λ N 67/82 Funzione di trasferimento AWG Funzione di trasferimento dall ingresso verso le varie uscite f 68/82

35 Funzione di trasferimento AWG Funzione di trasferimento dall ingresso verso le varie uscite Tin ( ) 1 f f 69/82 Funzione di trasferimento AWG Funzione di trasferimento dall ingresso verso le varie uscite Tin ( ) 1 f T ( ) in 2 f f 70/82

36 Funzione di trasferimento AWG Funzione di trasferimento dall ingresso verso le varie uscite Tin ( ) 1 f T ( ) in 2 f T ( ) in 3 f f 71/82 AWG applications 1/2 Un esempio di funzione di trasferimento di un sistema a 40 uscite, per WDM con spaziatura a 100 GHz. 72/82

37 AWG applications 2/2 100GHz 1x40 AWG DWDM Multiplexer/De-Multiplexer DWDM-G-100G-1-40-C Series ( 73/82 Parametri tipici per AWG a 40 canali 1/2 40 channels AWG, PIRI, now JDS ( Channel Spacing: 100 GHz Full 1-dB Bandwidth: ~0.32 nm = 40 GHz = 40% of Channel Spacing Full 3-dB Bandwidth: ~0.48 nm = 60 GHz = 60% of Channel Spacing Optical Insertion Loss: 9.0 db. 74/82

38 Parametri tipici per AWG a 40 canali 2/2 Ripple (in passband): 0.8 db Loss Uniformity between channels: 1.5 db Optical Crosstalk in Adjacent Channel: 27.0 db Optical Crosstalk in Non-Adjacent: 35.0 db Polarization Dependent Loss (PDL): 0.5 db Temperature Stability: +/- 0.5 db 0 to 65 C with temperature stabilization circuit. 75/82 Filtri di add-drop In alcune applicazioni di rete ottica WDM, si iniziano oggi ad utilizzare filtri di add-drop. Si tratta di filtri WDM a 3/4 porte, con la funzionalità riportata in figura: WDM input WDM add/drop filter WDM output 76/82

39 Filtri di add-drop In alcune applicazioni di rete ottica WDM, si iniziano oggi ad utilizzare filtri di add-drop. Si tratta di filtri WDM a 3/4 porte, con la funzionalità riportata in figura: WDM input WDM add/drop filter WDM output λ drop 77/82 Filtri di add-drop In alcune applicazioni di rete ottica WDM, si iniziano oggi ad utilizzare filtri di add-drop. Si tratta di filtri WDM a 3/4 porte, con la funzionalità riportata in figura: WDM input WDM add/drop filter WDM output λdrop new λ drop 78/82

40 Filtri di add-drop basati su Gratings Insieme ad un circolatore ottico, i filtri di tipo grating permettono di realizzare un filtro di add-drop WDM λ 1,, λ g,, λ N λ 1,, λ N Grating filter 79/82 Filtri di add-drop basati su Gratings Insieme ad un circolatore ottico, i filtri di tipo grating permettono di realizzare un filtro di add-drop WDM λ 1,, λ g,, λ N λ 1,, λ N Grating filter λ g 80/82

41 Conclusioni sui filtri ottici 1/2 Filtri, multiplatori e demultiplatori otticisono oggi disponibili commercialmente dato il loro vasto uso nei sistemi DWDM. Si tratta però di filtri statici, cioè con funzione di trasferimento (approssimativamente) statica nel tempo. 81/82 Conclusioni sui filtri ottici 2/2 Le tecnologie per i filtri tunabili, cioè con funzione di trasferimento variabile tramite comando elettrico, è invece ancora ad uno stadio iniziale Iniziano ad essere disponibili oggi filtri tunabili su tempi relativamente lenti (sopra i ms). 82/82