Convertitori di Frequenza per Optical Networking: : Caratteristiche e Limitazioni

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1 Convertitori di Frequenza per Optical Networking: : Caratteristiche e Limitazioni Paolo Spano Italia s.r.l. Via Cristoforo Colombo 149 I Italy

2 Sommario Introduzione Conversione di frequenza basata su processi incoerenti Conversione di frequenza basata su processi coerenti Conclusioni

3 Introduzione Conversione di lunghezza d onda: perché, dove, come? Perché? Aumento della flessibilità delle reti. Semplificazione della topologia. Utilizzo di un grado di libertà in più. Dove? In alcuni nodi ottici. Come? Metodi optoelettronici. Metodi completamente ottici.

4 Introduzione Convertitore optoelettronico PD EL LD Affidabilità Capacità di rigenerazione del segnale Possibilità di convertire su intervalli comunque ampi Velocità di clock fissa Funzionamento a singola lunghezza d onda Limitazioni sulla massima velocità del segnale (~ 10 Gbs) Inefficienza da un punto di vista costo/potenza di avere il doppio passaggio ottico/ elettrico/ottico

5 Introduzione Convertitore tutto ottico AOC Funzionamento ad altissima velocità di clock Possibilitàdi rigenerazione del segnale Possibilità di convertire interi pettini di frequenze Possibilità di trasparenza alla velocità di clock e al formato del segnale Affidabilità Intervallo di conversione limitato Possibilità di degradazione del segnale Possibile sensibilità alla polarizzazione del segnale

6 Introduzione Principio di funzionamento di un dispositivo per il processamento tutto ottico Propagazione non lineare del campo elettromagnetico in un mezzo attivo o passivo Non linearità del secondo ordine Generazione di seconda armonica; generazione della frequenza differenza ω 3 ω 1 Stato virtuale k 2 k 1 k 3 ω 2 I processi al secondo ordine sono processi coerenti

7 Introduzione Non linearità del terzo ordine 1. Guadagno/perdite o indice di rifrazione dipendenti dall intensità del campo (effetto Kerr); η eff =η+η 2 I α eff =α+α 2 I Processo incoerente: il campo non interagisce direttamente con altri campi 2. Miscelazione a quattro onde (FWM); P(ω 1 ) = P (1) (ω 1 )+ P (3) (ω 2 +ω 2 ω 3 ) ω 1 ω 2 ω 3 = χ (1) (ω 1 )E(ω 1 )+D 3 χ (3) (ω 2,ω 2, ω 3 )E(ω 2 )E(ω 2 )E * (ω 3 ) ω 2 ω 2 ω 3 ω 1 Processo coerente

8 Dispositivi e materiali per realizzare convertitori di frequenza Fibre ottiche stessa struttura del mezzo di propagazione basso costo bassa non linearità lunghe tratte dispersione cromatica intervallo di frequenze utilizzabile ridotto Dispositivi elettro ottici compatti basati sulle non linearità del secondo ordine SOA, diodi laser accordo di fase critico compatti basati sulle non linearità del terzo ordine accordo di fase non critico molto efficienti (presenza di guadagno ottico) rumore di emissione spontanea amplificata (ASE)

9 Dispositivi basati su processi incoerenti Gain (db) Saturazione di guadagno incrociata (XGM) in SOA g=g(i) Input Power (dbm) S in (λ 1 ) S conv (λ 2 ) SOA Filter S out (λ 2 ) Velocità massima limitata dal tempo di vita delle cariche τ τ 1 = τ 1 s + g n S In 1560 nm Out 1552 nm Forme d onda a 10 Gb/s

10 Processi incoerenti: XGM G Penalty (db) Potenza CW -11 dbm 10 Gb/s Potenza del segnale di ingresso (dbm) Semplicità Possibilità di ottenere il XGM anche in altri dispositivi, quali laser DBR Trasparenza al bit rate (<10 Gb/s) Alta potenza del segnale di ingresso ( dbm) Massima velocità limitata a ~10 Gb/s Difficoltà ad ottenere λ c =λ i Presenza di chirp nel segnale convertito Rapporto ON/OFF limitato

11 Processi incoerenti Saturazione di fase incrociata (XPM) in SOA CW SOA sfasatore filtro Densità di cariche P out In SOA Out [ g + g + 2 g ( ϕ) ] = 8 P cos 1 CW 1 2 1g2 Fase 2π π Sono possibili configurazioni basate su interferometri diversi o schemi di iniezione differente. Si possono avere convertitori con o senza inversione. Potenza out Potenza in

12 Processi incoerenti: XPM La funzione di trasferimento non lineare dell interferometro determina proprietà di rigenerazione SOA gate

13 Processi incoerenti: XPM Potenza del segnale di ingresso media (-10 0 dbm) Trasparenza al bit rate (<10 Gb/s) Possibilità di avere λ c =λ i Chirp contenuto Intervallo di conversione ampio (20 30 nm) Capacità rigenerative Massima velocità limitata a ~10 Gb/s Difficoltà di regolazione dell interferometro e bassa resa tecnologica

14 Processi incoerenti: XPM Metodi per aumentare la velocità di risposta dei convertitori XPM Interferometri basati sul ritardo differenziale Segnale 1 τ sfasatore Segnale 1 τ sfasatore CW SOA clock SOA Segnale 2 SOA Filtro Segnale 2 SOA Filtro Convertitore Convertitore e rigeneratore Funzione trasf. 1 0 τ tempo (ps) 0 π Variazione fase

15 Processi incoerenti: XPM Conversione di lunghezza d onda a 40 Gb/s RZ con tecnica differenziale Capacità di conversione per segnali ad altissima velocità. Solo per formati RZ e durate degli impulsi << τ.

16 Processi incoerenti Saturazione dell assorbimento in modulatori ad elettroassorbimento CW 1560 nm Modulatore EA Out 1560 nm In 40 Gb/s 1555 nm Semplicità Trasparenza al bit rate Chirp contenuto Potenza del segnale di ingresso alta (~ 20 dbm) Intervallo di conversione limitato Rapporto ON/OFF limitato Alte perdite Assorbimento a 1560 nm (db) P in a 1555 nm (dbm)

17 Processi incoerenti Filtraggio della SPM in SOA 0 Spettro del segnale SOA Filtro Intensità (dbm) t=3ps out In (nm) Trasmissione del filtro nm Intensità INPUT (ps) OUTPUT (ps) Autocorrelazione

18 Processi incoerenti: Filtraggio del chirping Estrema semplicità Possibilità di scegliere la durata dell impulso di uscita Solo per segnali RZ Intervallo di conversione limitato Impossibilità di avere λ c =λ i Alta potenza di segnale >10 dbm

19 Processi coerenti Nei processi incoerenti si sfrutta la non linearità globale dei dispositivi. Il processo con non linearità maggiore (modulazione della densità di cariche) è anche quello più lento. I dispositivi basati su queste tecniche sono limitati in velocità. Come superare la limitazione? Utilizzo separato di tutti i processi di interazione non lineare, in particolare quelli con bassa non linearità, ma tempi caratteristici brevi. Processi coerenti

20 Processi coerenti del secondo ordine Generazione della frequenza differenza ν s ν p/2 ν c ν p ν c = ν p -ν s Il principale problema di questo approccio è quello di ottenere l accordo di fase fra la pompa, il segnale e il coniugato Effetto dimostrato in guide quasi phase matched di AlGaAs e LiNbO 3 P p = 20 dbm

21 Processi coerenti del secondo ordine In Conversione simultanea di più canali Assenza di chirp Possibilità di avere λ c =λ i nm Coniugazione di fase del segnale convertito Trasparenza completa alla velocità e al formato del segnale (conversione lineare) Mantenimento del rapporto segnale rumore SNR Ampio intervallo di conversione (~ 90 nm) Insensibilità alla polarizzazione Potenza della pompa alta (~ 20 dbm) Bassa efficienza di conversione Lunghezza d onda della pompa ~770 nm Potenza (db) Out

22 Processi coerenti del terzo ordine: FWM E(0,t) = E p + E s e iωt Ω/2π ν p ν s Ω/2π Ω/2π ν c Il battimento pompa-segnale genera una modulazione dell indice e/o del guadagno del dispositivo a frequenza ν c =2ν p ν s =ν p +Ω/2π * 2 E c E s E p H( Ω) ν c ν p ν s Il nuovo campo è coniugato in fase con E s e di intensità E c 2 E * s 2 E p 4 H (Ω ) 2

23 Processi coerenti del terzo ordine: FWM FWM in fibra ( polarization maintaining-highly nonlinear-dispertion shifted fiber PM-HNL-DSF) Il processo responsabile della non linearità del terzo ordine in fibra è il solo effetto Kerr.

24 Processi coerenti: : FWM in fibra Conversione simultanea di più canali Assenza di chirp Possibilità di avere λ c =λ i Coniugazione di fase del segnale convertito Trasparenza completa alla velocità e al formato del segnale (conversione lineare) Mantenimento del rapporto segnale rumore SNR Ampio intervallo di conversione (~70 nm) Dipendenza dalla polarizzazione Potenza della pompa alta (~ 20 dbm) Bassa efficienza di conversione Ingombro

25 Processi coerenti: : FWM in SOA Nei SOA sono presenti diversi processi non lineari del terzo ordine che agiscono per diversi valori dell intervallo di conversione 2 ν=2(ν p -ν s ) Modulazione Riscaldamento della densità di cariche del gas di cariche Formazione del buco spettrale ν < 100 GHz 50 GHz < ν < 800 GHz 500 GHz < ν < 4 THz 20 Efficienza (db) Carriers CH SHB TPA+KE Ω>0 Ω< Ω (GHz)

26 Processi coerenti: : FWM in SOA 10 Gb/s Ω>0 Ω<0 Evidenza della degradazione del segnale dovuta alla dipendenza spettrale dell efficienza di conversione.

27 Processi coerenti: : FWM in SOA Conversione simultanea di più canali Assenza di chirp Possibilità di avere λ c =λ i Alta efficienza di conversione (>20 db) Coniugazione di fase del segnale convertito Trasparenza alla velocità e al formato del segnale (conversione lineare) Ampio intervallo di conversione (~70 nm) Potenza della pompa media (0-10 dbm) Riduzione del SNR a causa dell emissione spontanea amplificata Dipendenza dalla polarizzazione Efficienza di conversione dipendente dall intervallo di conversione

28 Processi coerenti: : FWM in SOA Metodi per superare i principali problemi del FWM nei SOA Uso di due pompe ortogonali spostate in frequenza in configurazione contropropagante S 1 S C 1 Ω pump (P 2 ) pump (P Ω Ω 1 ) C 2 P 1 +S P 2 Pol. B S SOA Pol. Rimozione della dipendenza dell efficienza dall intervallo di conversione PUMP 1 PUMP 2 SIGNAL EDFA EDFA EDFA PC PC PC PBS SOA PC Rimozione della sensibilità alla polarizzazione

29 Processi coerenti: : FWM in SOA Vantaggi e svantaggi dei convertitori basati sulla doppia pompa in configurazione contropropagante Dipendenza dell efficienza e del SNR di 4.5 db (contro ~35 db) su 40 nm, limitata solo dalla curva di guadagno del SOA. Dipendenza massima dalla polarizzazione ~1.5 db. Riduzione dell efficienza a bassa separazione pompa-segnale di ~ 6 db a paritàdi potenza per pompa. Aumento della complessità del convertitore. Efficienza (db) Ω (GHz)

30 Conclusioni I convertitori di lunghezza d onda completamente ottici permettono operazioni ad altissima velocità; L utilizzo di processi incoerenti permette di avere anche rigenerazione del segnale I processi coerenti permettono di eseguire operazioni completamente trasparenti e su più lunghezze d onda contemporaneamente; L uso di configurazioni appropriate permette di minimizzare le limitazioni intrinseche dei diversi metodi; La configurazione ottimale dipende in larga misura dal contesto in cui il convertitore viene utilizzato.