ITMI20010539A1 - Dispositivo ottico riconfigurabile per reti a divisione multipla della lunghezza d'onda - Google Patents

Description

DESCRIZIONE del brevetto per invenzione industriale:

La presente invenzione si riferisce ad un dispositivo ottico riconf igurabile per reti a divisione multipla della lunghezza d'onda.

La sempre più vasta diffusione di Internet e la conseguente richiesta di banda sempre più larga nelle comunicazioni ottiche ha portato all'affermazione ormai incontrastata del sistema di trasmissione a divisione multipla della lunghezza d'onda o WDM ( "Wavelength-Division-Multiplexing" ).

Il vantaggio di questa configurazione è che, modulando indipendentemente più portanti a diverse lunghezze d'onda, è possibile sfruttare al meglio la larghissima banda consentita dalle fibre ottiche con le tecnologie già disponibili sul mercato.

Tuttavia, il collo di bottiglia di questi sistemi di trasmissione risiede attualmente nelle specifiche dei dispositivi di elaborazione e instradamento del segnale, che vengono realizzati con tecnologie optoelettroniche, limitando di fatto la banda realmente utilizzabile nelle comunicazioni ottiche.

La ricerca scientifica tesa a realizzare questi dispositivi in maniera completamente ottica è quindi comprensibilmente molto attiva, sia sul versante industriale che scientifico-universitario.

Uno dei dispositivi che suscita il maggior interesse è senza dubbio quello che svolge le funzioni di "add/drop"; come già accennato, il segnale WDM è composto da più portanti, modulate indipendentemente una dall'altra ed ognuna ad una diversa lunghezza d 'onda.

Nella gestione dinamica di una rete di telecomunicazioni risulta molto frequente l'esigenza di estrarre uno solo dei canali del segnale WDM (funzione "drop"), per esempio per instradarlo su un'altra linea di comunicazione, o di aggiungere un canale ad un segnale WDM ad una lunghezza d'onda rimasta vuota.

I dispositivi finora proposti per realizzare queste funzioni si basano su effetti ottici lineari e si possono suddividere in due categorie: la prima utilizza i cosiddetti "arrayed waveguide gratings" con l'aggiunta di interruttori termo-ottici o di sfasatori, mentre la seconda comprende tutte quelle configurazioni in cui due guide d'onda sono accoppiate mediante un filtro passa-banda molto stretto .

Questi filtri passa-banda possono essere realizzati mediante un reticolo di Bragg scritto nella zona di accoppiamento di due fibre, oppure tra due guide d'onda a semiconduttore accoppiate verticalmente, o in un interferometro Mach-Zehnder, o infine introducendo dei risonatori a micro-anello all'incrocio di due guide d'onda.

In ogni caso, i problemi di queste configurazioni sono notevoli e risiedono essenzialmente nelle alte perdite del primo tipo di dispositivi e nella scarsa propensione, se non impossibilità, ad essere riconfigurati dei dispositivi del secondo tipo.

Infine, all'aumentare del numero dei canali contenuti nel segnale WDM, le architetture basate sui precedenti dispositivi aumentano la loro complessità ed il numero di elementi coinvolti, con evidenti svantaggi economici e tecnologici.

Scopo della presente invenzione, quindi, è quello di realizzare un dispositivo ottico riconfigurabile per reti a divisione multipla della lunghezza d'onda che ovvi agli inconvenienti sopra menzionati, ovvero quello di indicare un dispositivo ottico riconfigurabile che eviti il problema del filtraggio a banda molto stretta, spostando la funzione dall'accoppiatore al processo non lineare di generazione di una frequenza somma in una prima guida d 'onda.

Altro scopo della presente invenzione è quello di indicare un dispositivo ottico riconfigurabile per reti a divisione multipla della lunghezza d'onda che consenta di estrarre selettivamente un solo canale di quelli che compongono il segnale WDM senza alterare i rimanenti .

Ulteriore scopo della presente invenzione è quello di realizzare un dispositivo ottico riconfigurabile per reti a divisione multipla della lunghezza d'onda che permetta l'estrazione di qualsiasi canale che componga il segnale WDM e che, al contempo, risulti sufficientemente semplice da utilizzare, facilmente riscalabile e trasparente al numero di canali del segnale WDM, rispetto alle strutture note.

Tali scopi sono conseguiti da un dispositivo ottico riconfigurabile per reti a divisione multipla della lunghezza d'onda secondo la rivendicazione 1, alla quale si rimanda per brevità.

Vantaggiosamente, il dispositivo secondo la presente invenzione è composto da due guide d'onda affiancate a confinamento bidimensionale, messe in collegamento da un doppio accoppiatore direzionale; sfruttando la stretta banda di "phase matching" delle interazioni non lineari del secondo ordine, è possibile ottenere la generazione di una frequenza somma solo dal canale di interesse fino a svuotarlo completamente.

Il segnale a frequenza somma viene poi estratto dall'accoppiatore direzionale ed immesso nella seconda guida d'onda, dove, tramite un processo inverso di generazione di una frequenza differenza, torna a fornire il canale di partenza.

Il dispositivo è riconfigurabile in quanto, variando opportunamente la lunghezza d'onda del fascio di pompaggio nella prima guida d'onda, permette l'estrazione di qualsiasi canale che componga il segnale WDM.

In pratica il dispositivo secondo l'invenzione, basato su interazioni non lineari del secondo ordine in guide d'onda QPM ( "Quasi-Phase-Matched"), fa uso di una tecnologia interamente ottica ed include la funzione di "add/drop".

In particolare, si prevede di utilizzare una configurazione QPM, in modo tale da massimizzare l'efficienza delle interazioni non lineari; a questo proposito, in forme di realizzazione esemplificative, ma non limitative della presente invenzione, si sceglie un intervallo periodico di campionamento tale che si ottenga una condizione di "Quasi-Phase-Matching" (QPM) tra il dispositivo di pompaggio ed una delle lunghezze d'onda del segnale WDM, per esempio una lunghezza d'onda centrale.

La funzionalità delle interazioni non lineari permette di ottenere un dispositivo molto più flessibile di quelli dello stesso tipo appartenenti all'arte nota, con maggiori vantaggi funzionali combinati tutti insieme all'interno, peraltro, di una geometria estremamente semplice; si raggiunge in tal modo, inoltre, un ampio intervallo di sintonizzazione, una drastica soppressione dei fenomeni di "cross-talk" ed una completa integrazione delle funzioni più importanti del dispositivo, quali lo "shifting" delle lunghezze d'onda per i segnali WDM ed il campionamento ottico per i segnali TDM ( "Time-Division-Multiplexing").

Ulteriori scopi e vantaggi della presente invenzione risulteranno chiari dalla descrizione che segue e dai disegni annessi, forniti a puro titolo di esempio esplicativo e non limitativo, in cui:

la figura 1 rappresenta una vista di insieme schematica di un dispositivo ottico riconfigurabile a divisione multipla della lunghezza d'onda, secondo la presente invenzione;

la figura 2 mostra in un grafico cartesiano l'andamento dell'intensità di 16 canali a seguito del processo di generazione di una frequenza somma con un fascio di pompaggio in una prima porzione del dispositivo ottico riconfigurabile, secondo la presente invenzione;

la figura 3 mostra in un grafico cartesiano l'andamento dell'intensità dei 16 canali a seguito del processo di generazione di una frequenza differenza con un fascio di pompaggio in una terza porzione del dispositivo ottico riconfigurabile, secondo la presente invenzione;

- la figura 4 rappresenta in un grafico cartesiano a due ordinate una taratura del dispositivo ottico riconfigurabile, secondo la presente invenzione, relativamente alla sua capacità di estrarre qualsiasi canale del segnale WDM.

Si badi che le figure 2 e 3 riportano i risultati di una serie di simulazioni numeriche sul funzionamento del dispositivo secondo l'invenzione ipotizzando un segnale WDM con 16 canali spaziati di 100 GHz, mentre in figura 4, per l'estrazione di ogni canale, è riportata la necessaria lunghezza d'onda del segnale di pompaggio e la conseguente lunghezza d'onda del segnale a frequenza somma.

Con riferimento alle figure menzionate, il dispositivo ottico riconfigurabile secondo la presente invenzione è composto da due guide d'onda A e B, parallele, realizzate in un materiale presentante non linearità del secondo ordine, e a confinamento bidimensionale, accoppiate da un doppio accoppiatore direzionale a guida d'onda, indicato con C.

Nell'esempio riportato in figura 1 ed utilizzato per le simulazioni numeriche, si prevede di usare guide d'onda A e B realizzate su un substrato SI di niobato di litio, con inversione periodica dei domini ferro elettrici-, rispettivamente in una prima zona o porzione LI della guida d'onda A del dispositivo ed in una terza zona o porzione L3 della guida d'onda B dello stesso dispositivo.

Tale realizzazione geometrica è adottata in modo da aumentare l'efficienza delle interazioni non lineari. Preferibilmente, si utilizzano di norma porzioni LI e L3 di uguale lunghezza di interazione e periodi di inversione dei domini uguali nelle due guide d'onda A e B; in tal modo, se i dispositivi di pompaggio utilizzati in ingresso alle guide d'onde A e B presentano la stessa lunghezza d'onda e la stessa potenza, il canale svuotato è totalmente riconvertito alla lunghezza d'onda originale in corrispondenza del terminale d'uscita della guida d'onda B; d'altra parte, se tali dispositivi di pompaggio presentano lunghezze d'onda differenti, il<' >processo di generazione di una frequenza differenza genererà un segnale ad una lunghezza d'onda diversa da quella originaria .

In pratica, l'idea alla base del dispositivo è quella di svuotare completamente un predeterminato canale di trasmissione del segnale WDM per mezzo di un procedimento di generazione di una frequenza somma utilizzando un dispositivo di pompaggio accoppiato ad una prima porzione della guida d'onda A.

In effetti, all'ingresso D della guida d'onda A vengono accoppiati, con tecniche tradizionali, sia il segnale WDM (che, nell'esempio esemplificativo, ma non limitativo, dell'invenzione comprende 16 canali spaziati di 100 GHz) che il fascio di pompa; quest'ultimo avrà una lunghezza d'onda WP appositamente scelta, in base alla lunghezza d'onda WS del segnale WDM ed alla lunghezza d'onda del segnale a frequenza somma WSF (secondo il grafico di figura 4), in modo da soddisfare la condizione di "phase-matching" con il canale che si vuole estrarre. E' importante notare che la variazione della lunghezza d'onda del segnale di pompaggio è dello stesso ordine dell'intervallo di lunghezze d'onda del segnale WDM, mentre la lunghezza d'onda corrispondente del segnale a frequenza somma risulta quasi costante sino alla quarta cifra decimale; come diretta conseguenza, l'accoppiatore direzionale a guida d'onda C non necessita di alcuna modifica tecnica se risulta già progettato per la frequenza somma corrispondente al canale centrale.

Al termine della prima porzione LI della guida d'onda A del dispositivo ottico, che è oggetto della presente invenzione, si avrà un completo svuotamento del canale di interesse, mentre i restanti canali saranno tornati ai valori di partenza entro un intervallo medio percentuale dell'1%.

A questo punto, l'accoppiatore direzionale a guida d'onda C, posizionato nella porzione L2 del dispositivo secondo l'invenzione, estrae completamente solo i segnali alla frequenza somma, lasciando inalterati i restanti canali del segnale WDM.

A tale scopo, la guida d'onda C dell'accoppiatore direzionale deve essere progettata con parametri tali da porre la sua frequenza di taglio tra la frequenza del segnale WDM e la frequenza somma.

Inoltre, il modo guidato a frequenza somma della guida d'onda C dell'accoppiatore direzionale deve essere sincrono con quello delle guide d'onda A e B per un efficace accoppiamento delle tre guide A, B e C.

Il segnale a frequenza somma che si trova nella guida d'onda B interagisce quindi con un secondo segnale di pompaggio ottico, accoppiato con tecniche tradizionali in corrispondenza dell'entrata E della guida d'onda B, in modo da riconvertire il segnale a frequenza somma in una delle lunghezze d'onda del segnale WDM mediante un processo di generazione di una frequenza differenza.

La riconversione alla lunghezza d'onda originaria del segnale a frequenza somma (funzione DC) è rappresentata in figura 3, insieme con i segnali spuri (funzioni indicate generalmente con FZ) dovuti alla presenza degli altri canali nel segnale WDM.

In particolare, nella figura 3, in ordinata è rappresentata l'intensità dei canali IC del segnale WDM in dB, mentre in ascissa è rappresentata la variazione della lunghezza della porzione L3 del dispositivo secondo l'invenzione.

Nella figura 3 è, infine, facilmente apprezzabile che il "cross-talk" nel segnale estratto alla posizione tratteggiata indicata con T è comunque inferiore a -41dB, valore tra i più bassi fra quelli presentati in letteratura.

Per quanto riguarda la riconfigurabilità del dispositivo, è stato verificato che, anche variando la lunghezza d'onda del segnale di pompaggio in modo tale da estrarre ogni canale del segnale WDM, le prestazioni del dispositivo così dimensionato non variano .

In particolare, come riportato nel grafico di figura 4, la lunghezza d'onda WSF del segnale a frequenza somma non varia significativamente al variare del canale che si desidera estrarre e questo risulta un vantaggio importante in quanto l'accoppiatore direzionale a guida d'onda C, progettato per avere un massimo trasferimento in corrispondenza di un solo segnale alla frequenza somma, non necessita di essere riconfigurato dinamicamente quando si cambia il canale da estrarre; si è giunti, quindi, alla conclusione che il dispositivo interamente ottico riconfigurabile e presentante una eventuale funzione di "add-drop", secondo la presente invenzione, risolve il problema del filtraggio a banda molto stretta (si ricordi che la distanza tra canali diversi in una rete a divisione multipla della lunghezza d'onda (WDM) standard è pari a 100 GHz), spostando la funzione dall'accoppiatore direzionale a guida d'onda C al processo non lineare di generazione di una frequenza somma nella porzione LI della guida A.

L'accoppiatore direzionale a guida d'onda C, che estrae il segnale alla frequenza somma e lo trasmette alla guida d'onda B, non deve quindi rispondere a requisiti estremamente spinti relativamente alla sua banda di trasmissione, ma è sufficiente che abbia una frequenza di taglio compresa tra la frequenza somma e la frequenza del segnale WDM, in modo da estrarre soltanto l'informazione alla frequenza somma corrispondente al canale coinvolto PMC nell'interazione lineare (si veda a tale proposito la figura 2), lasciando inalterati gli altri canali OC nella guida A.

Nella guida B, il processo inverso di generazione di una frequenza differenza consente di riottenere il canale di partenza DC con un "cross-talk" degli altri canali stimato ad un valore inferiore a -41dB.

L'utilizzo di processi ottici non lineari richiede, come sopra menzionato, l'introduzione di due laser di pompaggio in corrispondenza degli ingressi D, E delle guide d'onda A e B e, in ogni caso, aumenta notevolmente la flessibilità del dispositivo; infatti, come già menzionato in precedenza, variando opportunamente la lunghezza d'onda del segnale di pompaggio nella porzione LI della guida d'onda A, è possibile riconfigurare dinamicamente il dispositivo per l'estrazione di qualsiasi canale componente il segnale WDM.

Inoltre, variando opportunamente la lunghezza d'onda del segnale di pompaggio nella porzione L3 della guida B è possibile alterare il processo di generazione di frequenza differenza, in modo da riottenere l'informazione contenuta nel canale di interesse ad una lunghezza d'onda diversa da quella di partenza.

In questo modo, nello stesso dispositivo, si realizza un'operazione di "shifting" delle lunghezze d'onda, anch'essa estremamente importante per una gestione dinamica delle reti di comunicazione.

Infine, il dispositivo è trasparente al numero di canali, vale a dire mantiene la sua configurazione qualsiasi sia il numero di canali che compongono il segnale WDM.

L'uso di una pompa impulsata nella porzione LI della guida A consente l'estrazione solo di una parte del canale d'interesse e, quindi, controllando opportunamente l'andamento temporale del segnale di pompaggio, è possibile decodificare un segnale TDM ( "time-division-multiplexing") contenuto in uno dei canali del segnale WDM.

Ulteriormente, la funzione di "add" del dispositivo secondo l'invenzione risulta facilmente realizzabile con un successivo stadio di accoppiamento ottico, di per sé noto.

I risultati delle simulazioni effettuate sono rappresentati in dettaglio, come accennato in precedenza, nei grafici delle figure 2 e 3.

Tali simulazioni sono state effettuate utilizzando, per semplicità, guide d'onda A e B planari nelle porzioni LI e L3 del dispositivo, con un indice di rifrazione variabile e decrescente esponenzialmente in funzione della lunghezza, con un valore particolare di salto d'indice pari a 0,0070 ad una lunghezza d'onda di 1,55 pm; inoltre, si è utilizzato un substrato SI realizzato in niobato di litio (LiNb03) , del tipo "Z-cut", con deff=21 pm/V per un QPM del primo ordine, e modi guidati di tipo TMo.

Le interazioni non lineari sono state rappresentate utilizzando le ben note equazioni non lineari di propagazione, scritte per modi propagativi in guide d'onde planari; si è tenuto conto, inoltre, della generazione di una frequenza somma tra il segnale ottico di pompaggio e tutti i canali del segnale WDM, della generazione di una frequenza differenza tra la suddetta frequenza somma, corrispondente solamente al canale "phase-matched" PMC, e tutti i canali del segnale WDM.

Per quanto riguarda le condizioni iniziali relativamente alla porzione LI della guida d'onda A, i canali presentano tutti la stessa densità di potenza, pari a 0,5 W/cm, il segnale di pompaggio prevede una densità di potenza pari a 1,05 kW/cm, mentre tutti gli altri segnali sono nulli.

Nel caso della porzione L3 della guida d'onda B, d'altra parte, le condizioni iniziali sono costituite da: densità di potenza del segnale di pompaggio = 1,05 kW/cm e densità di potenza dei canali nulla, mentre le frequenze somma corrispondenti ai vari canali hanno la stessa potenza presente al terminale della guida d'onda A nella porzione LI.

E' prevista, inoltre, una ottimizzazione dei parametri delle guide d'onda A e B, al fine di ridurre il valore di intensità di potenza del segnale di pompaggio; infine, si è assunto, per precauzione, che tutte le frequenze somma siano completamente trasferite alla guida d'onda B e che i segnali di pompaggio presenti ai terminali D e E siano uguali. I risultati numerici quantitativi ottenuti con una lunghezza d'onda del segnale di pompaggio pari a 1,59 pm, in funzione della lunghezza di propagazione, nel tratto LI della guida d'onda A, sono visualizzati in figura 2, mentre gli stessi risultati relativi al tratto L3 della guida d'onda B sono riportati nel grafico di figura 3.

Se viene scelta una lunghezza delle porzioni LI e L3 uguale e pari a 3,05 cm, al termine della porzione LI della guida d'onda A, il canale PMC alla lunghezza d'onda di 1,55 pm (il solo in modalità QPM con il segnale di pompaggio) risulta totalmente svuotato, mentre i rimanenti canali OC presentano una variazione entro l'l% dell'intensità di potenza iniziale; al termine della porzione L3 della guida d'onda B, il canale DC alla lunghezza d'onda di 1,55 pm risulta totalmente riconvertito all'intensità di potenza iniziale (assumendo che l'accoppiatore direzionale a guida d'onda C e le guide d'onda A e B siano senza perdite), mentre i rimanenti canali FZ presentano un livello di intensità notevolmente inferiore; infatti, dal grafico di figura 3 si nota che, a tale lunghezza d'onda, il valore stimato di "cross-talk", in corrispondenza del terminale di uscita della porzione L3 della guida d'onda B (riferimento T di figura 3), risulta avere un valore inferiore a -41 dB.

Come ricordato in precedenza, si sottolinea che la guida d'onda interna C dell'accoppiatore direzionale deve risultare al "cut-off" per le lunghezze d'onda del segnale WDM e deve presentare lo stesso indice di rifrazione efficace delle guide d'onda A, B alle frequenze somma; per raggiungere tale condizione, si deve poter intervenire sulla variazione dell'indice di rifrazione e sulle dimensioni della guida d'onda

C.

Allo scopo di superare possibili difficoltà tecnologiche, è possibile utilizzare una configurazione di accoppiatore direzionale a guida d'onda C accoppiato verticalmente, in modo tale che la guida d'onda di accoppiamento C possa essere fabbricata indipendentemente dalle altre due guide d'onda A e B (ove avvengono fenomeni non lineari), con parametri arbitrari e diversa tecnologia.

Dalla descrizione effettuata risultano chiare le caratteristiche del dispositivo ottico riconfigurabile per reti a divisione multipla della lunghezza d’onda, che è oggetto della presente invenzione, così come chiari ne risultano i vantaggi.

E' chiaro, infine, che numerose altre varianti possono essere apportate al dispositivo ottico in questione, senza per questo uscire dai principi di novità insiti nell'idea inventiva, così come è chiaro che, nella pratica attuazione dell'invenzione, le funzioni, i materiali, le forme e le dimensioni dei dettagli illustrati potranno essere qualsiasi a seconda delle esigenze e gli stessi potranno essere sostituiti con altri tecnicamente equivalenti.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo ottico riconfigurabile per reti a divisione multipla della lunghezza d'onda, comprendente almeno due guide d'onda (A, B), a confinamento bidimensionale, e collegate per mezzo di almeno un accoppiatore ottico direzionale (C), caratterizzato dal fatto che detto dispositivo ottico utilizza interazioni ottiche non lineari tra almeno uno dei canali che compongono un segnale di ingresso a divisione multipla della lunghezza d'onda o WDM ed almeno un primo fascio ottico di pompa.
2. 2. Dispositivo ottico riconfigurabile come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che dette guide d'onda (A, B) sono realizzate con un materiale presentante non linearità del secondo ordine.
3. 3. Dispositivo ottico riconfigurabile come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che dette guide d'onda (A, B) sono realizzate su almeno un substrato (SI), utilizzando almeno una tecnica di "phase-matching" rispettivamente in una prima porzione (LI) di una prima (A) di dette guide d'onda (A, B) ed in una terza porzione (L3) di una seconda (B) di dette guide d'onda (A, B).
4. 4. Dispositivo ottico riconfigurabile come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto segnale WDM comprende una serie di canali spaziati in frequenza e che detto primo fascio ottico di pompa presenta una lunghezza d'onda (WP) variabile e predeterminata sulla base delle lunghezza d'onda (WS) di detto canale che si desidera estrarre da detto segnale WDM.
5. 5. Dispositivo ottico riconfigurabile come alla rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che, in corrispondenza di uno dei terminali di detta prima porzione (LI) di detta prima guida d'onda (A), si crea un completo svuotamento di almeno un canale selettivamente estratto (DC) tra quelli che compongono detto segnale WDM.
6. 6. Dispositivo ottico riconfigurabile come alla rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detto accoppiatore ottico direzionale (C) presenta una frequenza di taglio compresa tra la frequenza di detto segnale WDM ed una frequenza somma.
7. 7. Dispositivo ottico riconfigurabile come alla rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che un segnale a frequenza somma (WSF), presente all'interno di detta seconda guida d'onda (B), interagisce con almeno un secondo fascio ottico di pompa, accoppiato in corrispondenza di almeno un ingresso (E) di detta seconda guida d'onda (B), in modo da riconvertire detto segnale a frequenza somma (WSF) in almeno una lunghezza d'onda di detto segnale WDM mediante un processo di generazione di una frequenza differenza, riottenendo detto canale selettivamente estratto in partenza (DC).
8. 8 . Dispositivo ottico riconfigurabile come alla rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che, variando la lunghezza d'onda di detto secondo fascio ottico di pompa, è possibile traslare detto canale selettivamente estratto (DC) ad un valore di lunghezza d'onda predefinito.
9. 9. Dispositivo ottico riconfigurabile come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di presentare una ulteriore funzione di "add" per mezzo di un successivo stadio di accoppiamento ottico.
10. 10. Dispositivo ottico riconfigurabile per reti a divisione multipla della lunghezza d'onda come sostanzialmente descritto ed illustrato nei disegni allegati e per gli scopi specificati.