ITMI20132014A1 - Sistema di comunicazione ottica multilivello con una pluralità di sorgenti di radiazione ottica - Google Patents

Description

"Sistema di comunicazione ottica multilivello con una pluralità di sorgenti di radiazione ottica”

CAMPO TECNICO

La presente descrizione si riferisce alle comunicazioni ottiche.

TECNICA NOTA

Le telecomunicazioni ottiche sono applicabili in diversi contesti che vanno dalle trasmissioni su grandi distanze (tipicamente mediante cavi in fibra ottica) fino a quelle su distanze minori, che si riferiscono, per esempio, alle comunicazioni dataintensive, alle comunicazioni cosiddette “client optics” oppure a quelle relative all’interconnessione ottica in reti di accesso o reti di dati o reti metropolitane. Le applicazioni relative all’interconnessione ottica possono comprendere l’interconnessione fra diversi componenti di un apparato elettronico complesso e sono, per esempio: l’interconnessione chip-to-chip, chip-to-board, board-to-board, board-to-backplane, board-to-rack e rack-to-rack.

Per questo tipo di telecomunicazioni ottiche risultano particolarmente critici parametri quali la dissipazione di potenza, il costo, l’ingombro e la complessità degli apparati impiegati.

Ai fini di una completa comprensione della descrizione che segue si citano i seguenti documenti di arte nota:

[1] Ibrahim M.M., “On injection locking of homogeneously broadened lasers”, IEEE J. Quant. Electr. QE-14, 145 (1978);

[2] Di Domenico M., “Characteristics of a singlefrequency Michelson type He-Ne gas laser”, IEEE J. Quant. Elect. QE2, 311 (1996);

[3] P.J. Winzer, et. Al, “Advanced modulation formats for high Capacity optical transport networks”, IEE J. Light Tech. 24, 4711 (2006).

SOMMARIO

La Richiedente ha affrontato il problema di fornire un sistema di comunicazione ottica di tipo multilivello, quindi adatto all’aumento della capacità trasmissiva a parità di banda di trasmissione utilizzata, che non richieda ingombro, complessità e costi eccessivi.

Una soluzione alla problematica sopra indicata è offerta da un sistema di comunicazione come descritto dalla rivendicazione 1. Forme di attuazione particolari del sistema di comunicazione sono definite dalle rivendicazioni dipendenti.

In particolare, è descritto un sistema di comunicazione ottica digitale comprendente:

- un apparato trasmettitore includente:

una prima sorgente configurata per fornire una prima radiazione ottica;

una seconda sorgente configurata per fornire una seconda radiazione ottica coerente con la prima radiazione;

un primo dispositivo di combinazione strutturato per trasmettere una radiazione ottica combinata ottenuta a partire da almeno una porzione della prima e della seconda radiazione aventi rispettive polarizzazioni/fasi reciprocamente ruotate/ritardate;

un apparato modulatore associato alla prima e seconda sorgente e configurato per modulare in intensità la prima e la seconda radiazione fra una pluralità di livelli in modo che detta radiazione combinata assuma diversi stati di polarizzazione/fasi corrispondenti ad una pluralità di simboli digitali; - un apparato ricevitore configurato per ricevere una radiazione ricevuta a partire dalla radiazione combinata e riconoscere i simboli digitali.

BREVE DESCRIZIONE DELLE FIGURE

Verranno di seguito descritte alcune forme di realizzazione esemplificative non limitative, facendo riferimento alle figure annesse, in cui:

la figura 1 mostra un esempio di un primo sistema di comunicazione ottica comprendente un apparato trasmettitore, un apparato ricevitore e un mezzo di propagazione;

la figura 2a mostra schematicamente una costellazione di simboli sul Piano di Argand e la figura 2b mostra il loro corrispondente stato di polarizzazione sulla sfera di Poincaré, ottenibili con l’apparato trasmettitore di figura 1 secondo una modulazione di tipo QIM;

le figure 3a), 3b), 3c) e 3d) si riferiscono a diverse forme di realizzazione dell’apparato trasmettitore di figura 3;

la figura 4 mostra un esempio di un secondo sistema di comunicazione ottica comprendente un apparato trasmettitore a modulazione di fase, un apparato ricevitore per modulazione di fase;

la figura 5 mostra un esempio di un‘altra costellazione di simboli di tipo QPSK ottenibili con l’apparato trasmettitore a modulazione di fase della figura 4;

la figura 5 mostra un esempio di un‘altra costellazione di simboli di tipo QPSK ottenibili con l’apparato trasmettitore a modulazione di fase della figura 4;

la figura 6 mostra un esempio di un‘altra costellazione di simboli di tipo 8-PSK ottenibili con l’apparato trasmettitore a modulazione di fase della figura 4;

DESCRIZIONE DETTAGLIATA

Nella presente descrizione componenti identici o simili sono indicati nelle figure con i medesimi riferimenti. La figura 1 mostra schematicamente un esempio di un primo sistema di comunicazione ottica digitale 100 comprendente un apparato trasmettitore TX e un apparato ricevitore RX collegabili da un mezzo di propagazione della radiazione ottica 400.

Il trasmettitore TX ed il ricevitore RX possono essere realizzati con componenti in micro-ottica (impieganti componenti cosiddetti “bulk”) oppure con componenti ottico-integrati oppure con soluzioni ibride. La rappresentazioni di figura 1 e della successiva figura 4 si riferiscono in modo esemplificativo ad una realizzazione con componenti ottici bulk.

L’apparato trasmettitore TX comprende una prima sorgente S1 di una prima radiazione ottica OR1 ed una seconda sorgente S2 di una seconda radiazione ottica OR2. La prima e la seconda radiazione ottica OR1 ed OR2 sono generate in forma di fasci ottici.

La prima sorgente S1 è una sorgente laser avente una buon grado di coerenza spaziale e/o temporale è può comprendere, ad esempio, uno dei seguenti dispositivi: una sorgente laser di tipo Fabry-Perot, un laser di tipo Distributed FeedBack (DFB), una laser VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser), un laser basato su di un amplificatore di tipo R-SOA (Reflective Semiconductor Optical Amplifier o un laser a Stato Solido. La seconda sorgente S2 è preferibilmente di tipo identico alla prima sorgente S1.

L’apparato trasmettitore TX comprende inoltre un primo apparato modulatore MOD1 associato alla prima e seconda sorgente S1 e S2 e configurato per modulare in intensità la prima e la seconda radiazione OR1 e OR2, fra una pluralità di livelli di intensità della relativa radiazione ottica.

Preferibilmente, il primo apparato modulatore MOD1 è tale da effettuare una modulazione diretta delle intensità delle radiazioni generate dalla prima e della sorgente laser S1 ed S2 ma può essere utilizzata, secondo un’altra forma di attuazione, una modulazione esterna della prima radiazione OR1 e della seconda radiazione ottica OR2.

Vantaggiosamente, la prima e la seconda sorgente S1 ed S2 presentano un “chirp” basso o nullo. Il “chirp” essendo la modulazione di frequenza che un laser subisce quando è modulato direttamente in intensità. In particolare, il chirp della prima e della seconda sorgente S1 ed S2 è più contenuto dell’allargamento in frequenza originato dalla modulazione di intensità prodotta dal primo apparato modulatore MOD1.

Secondo la forma di attuazione mostrata in figura 1, il primo apparato modulatore MOD1 è configurato per generare un primo segnale digitale modulante DAT1, fornito alla prima sorgente S1 per modulare l’intensità della prima radiazione ottica OR1. Inoltre, il primo apparato modulatore MOD1 è configurato per generare un secondo segnale digitale modulante DAT2, fornito alla seconda sorgente S2 per modulare l’intensità della seconda radiazione ottica OR2.

Il primo segnale digitale modulante DAT1 e il secondo segnale modulante DAT2 sono, per esempio, rispettivi segnali impulsivi con modulazione in ampiezza o in durata dell’impulso per un prefissato numero “n” di livelli.

Per esempio, il primo segnale digitale modulante DAT1 e il secondo segnale modulante DAT2 sono tali per cui sia la prima radiazione ottica OR1 sia la seconda radiazione ottica OR2 assumo “n” livelli di intensità e ciascun livello è assunto per una durata di simbolo “T”. In particolare, la durata T del simbolo è il tempo durante il quale la potenza della radiazione ottica mantiene uno stesso livello.

Inoltre, il primo modulatore MOD1, la prima sorgente laser S1 e la seconda sorgente laser S2 sono tali per cui la prima radiazione ottica OR1 risulti coerente con la seconda radiazione ottica OR2. Con l’espressione radiazioni ottiche coerenti si intende che le radiazioni ottiche sono messe in relazione di fase per un tempo di coerenza molto maggiore della durata del simbolo T trasmesso. Per esempio il tempo di coerenza è almeno 10 volte la durata del simbolo da trasmettere.

Più avanti, con riferimento alla figura 3, verranno descritte alcune possibili tecniche impiegabili per ottenere la desiderata coerenza fra la prima e la seconda radiazione ottica OR1 ed OR2.

Ritornando alla figura 1, l’apparato trasmettitore TX è inoltre dotato di un primo dispositivo di combinazione BS1 strutturato per ricevere a rispettive porte d’ingresso la prima radiazione ottica OR1 e la seconda radiazione ottica OR2 e trasmettere su una propria porta di uscita una prima radiazione ottica combinata T-OR.

Il dispositivo di combinazione BS1 è in grado di trasmettere sulla propria porta di uscita almeno una porzione della prima radiazione ottica OR1 avente una polarizzazione lineare ed almeno un porzione della seconda radiazione ottica OR2 avente una seconda polarizzazione lineare ed ortogonale alla polarizzazione della prima radiazione ottica OR1.

Secondo un primo esempio, il dispositivo di combinazione BS1 può essere un divisore di fascio insensibile alla polarizzazione come ad esempio un Beam Splitter: in tal caso la prima radiazione ottica OR1 e la seconda radiazione ottica OR2 sono tali da raggiungere il primo divisore di fascio BS1 presentando rispettive polarizzazioni lineari e fra loro ortogonali.

Per far sì che la prima radiazione ottica OR1 e la seconda radiazione ottica OR2 presentino polarizzazioni lineari e fra loro ortogonali quando raggiungono il primo divisore di fascio BS1, si può orientare opportunamente la prima sorgente laser S1 e la seconda sorgente laser S2 in modo che le radiazioni uscenti dalle due sorgenti risultino ortogonali in polarizzazione.

Secondo un’altra modalità esemplificativa, considerando che la prima radiazione ottica OR1 e la seconda radiazione ottica OR2 uscenti dalle rispettive prima e seconda sorgente laser S1 ed S2 presentino polarizzazioni lineari parallele (da controllare), può essere impiegata una prima lamina a mezz’onda (�/2) WP1 posta con i propri assi principali (cioè l’asse lento e l’asse veloce) ruotati di 45° rispetto agli assi principali del primo divisore di fascio BS1. La prima lamina a mezz’onda (�/2) WP1 consente di ruotare di 90° la polarizzazione della radiazione che l’attraversa.

In accordo con un secondo esempio, il dispositivo di combinazione BS1 può essere un divisore di fascio in polarizzazione (in inglese, polarization beam splitter): in tal caso, per esempio, la prima radiazione ottica OR1 e la seconda radiazione ottica OR2 possono incidere sul primo divisore di fascio BS1 con relative polarizzazioni fra loro non ortogonali (e non lineari) e il divisore di fascio stesso analizzerà tali radiazioni ottiche trasmettendo in uscita le componenti con polarizzazioni fra loro ortogonali.

Nel funzionamento dell’apparato trasmettitore TX, la prima sorgente S1 fornisce la prima radiazione ottica OR1, modulata in intensità dal primo segnale di modulazione DAT1, e la seconda sorgente S2 fornisce la seconda radiazione ottica OR2, modulata in intensità dal secondo segnale di modulazione DAT2. Ciascuna fra la prima e la seconda radiazione ottica OR1 ed OR2 sono modulate in intensità fra n livelli, dove n è pari, per esempio, a: 2, 3 o 4.

La prima radiazione ottica OR1 e la seconda radiazione ottica OR2 fra loro coerenti e ortogonali in polarizzazione incidono sulle relative porte di ingresso del divisore di fascio BS1 non sensibile alla polarizzazione il quale trasmette in uscita la prima radiazione ottica combinata T-OR. L’utilizzo di un primo divisore di fascio BPS1 di tipo sensibile alla polarizzazione permette di evitare perdite in potenza.

La prima e la seconda radiazione ottica OR1 ed OR2 che incidono sul primo divisore di fascio BS1, oppure le porzioni di tali radiazioni estratte dal primo divisore di fascio BS1, risultano quindi con Stati di Polarizzazione (SOP) fra loro ortogonali.

Questa proprietà permette di rappresentare la prima e la seconda radiazione ottica OR1 ed OR2, (modulate in intensità dal primo e secondo segnale di modulazione DAT1 e DAT2) su di un piano di Argand, come mostrato in figura 2a, dove sono indicati l’asse Verticale V e l’asse Orizzontale H.

L’esempio di figura 2a si riferisce al caso di un numero di livelli n pari a 4, ed è quindi mostrata una costellazione di sedici punti rappresentativi di un numero di simboli pari a n x n= 4 x 4 = 16, trasportati dalla radiazione ottica combinata T-OR.

In altre parole, le modulazioni di intensità eseguite sulla prima e sulla seconda sorgente laser S1 e S2 si trasformano automaticamente in modulazioni sul piano complesso e genereranno le “costellazioni” esemplificate in figura 2a per rispettivamente n = 1,2,3 e 4 livelli di modulazione, ovvero costellazioni di tipo Quadrature Intensity Modulation o QIM (in letteratura più conosciute come QAM, cioè modulazioni di tipo Quadrature Amplitude Modulation) di ordine 1, 4, 9 e 16.

Si osservi che la relazione di coerenza fra la prima e la seconda radiazione OR1 ed OR2 fa sì che esse formeranno nella radiazione ottica combinata T-OR un unico Stato di Polarizzazione SOP, illustrato in figura 2b su di una Sfera di Poincaré rappresentata appositamente distorta (ellittica) a significare che l’intensità del SOP cambia per gli stati diagonali rispetto agli stati principali con riferimento al piano di Argand.

Il diametro della sfera di Poincaré cambia poi in funzione dell’ordine della costellazione. Si è venuta così a stabilire una relazione di reciprocità fra la rappresentazione della costellazione di modulazione di intensità sul piano di Argand e la rappresentazione sulla sfera di Poincaré: ogni simbolo digitale trasportato dalla radiazione ottica combinata T-OR corrisponde ad una diversa rappresentazione sulla sfera di Poincarè.

Si faccia riferimento ora al mezzo di propagazione 400 il quale può essere un mezzo di propagazione guidato (per esempio, una fibra ottica monomodale) oppure lo spazio libero. L’apparato trasmettitore TX può comprendere dispositivi di accoppiamento (non mostrati) strutturati per accoppiare la radiazione ottica combinata T-OR al mezzo di propagazione 400. Il mezzo di propagazione 400 è tale da restituire all’apparato ricevitore RX una radiazione ottica ricevuta R-OR.

Si noti che sia nel caso di trasmissione guidata sia nel caso di spazio libero si può supporre che la presenza congiunta di birifrangenza lineare e circolare lungo il mezzo di propagazione 400 perturbi lo stato di polarizzazione SOP della prima radiazione ottica combinata T-OR, ma ciò comporta solo una rotazione rigida della rappresentazione degli stati di polarizzazione SOP dei diversi simboli sulla sfera di Poincaré e non varia la sequenza dei punti rappresentativi (che rimangono tutti sullo stesso meridiano) né la loro distanza reciproca.

Si faccia adesso riferimento all’apparato ricevitore RX il quale è configurato per ricevere la radiazione ottica combinata T-OR e riconoscere i simboli digitali. In particolare, l’apparato ricevitore RX è strutturato per effettuare la rivelazione dei simboli trasportati dalla radiazione ottica combinata T-OR mediante una rivelazione dello stato di polarizzazione nella radiazione ottica ricevuta R-OR all’apparato ricevitore stesso dopo avere attraversato il mezzo di propagazione 400.

Secondo l’esempio particolare mostrato in figura 1, l’apparato ricevitore RX comprende: un secondo divisore di fascio BS2, una seconda lamina a mezz’onda WP2, un primo divisore di fascio in polarizzazione PBS1, un secondo divisore di fascio in polarizzazione PBS2, un terzo divisore di fascio in VBS ed un quarto divisore di fascio HBS.

Il secondo divisore di fascio BS2 è di tipo non sensibile alla polarizzazione ed è dotato di: un ingresso per la radiazione ottica ricevuta R-OR, una prima uscita per una porzione di radiazione trasmessa ORX1 ed una seconda uscita per una porzione di radiazione riflessa ORX2.

La seconda lamina a mezz’onda WP2 è una lamina ritardatrice posta con i propri assi principali (cioè l’asse lento e l’asse veloce), ruotati a 45° di orientazione rispetto agli assi principali del primo divisore di fascio in polarizzazione PBS1.

La seconda lamina a mezz’onda WP2 è tale da ricevere la porzione di radiazione trasmessa ORX1 e ruotarne la polarizzazione di 90° (corrispondente ad una rotazione sulla sfera di Poincaré di 180°) e introdurre un ritardo di fase pari a 180° (cioè �) rispetto alla porzione di radiazione riflessa ORX2.

Il primo divisore di fascio in polarizzazione PBS1 è orientato in modo da trasmettere la radiazione ottica con polarizzazione orizzontale H verso un primo specchio M1 e riflettere la radiazione con polarizzazione verticale V verso il quarto divisore di fascio HBS.

Il secondo divisore di fascio in polarizzazione PBS2 è tale da riflettere la radiazione con polarizzazione verticale V verso il terzo divisore di fascio VBS e trasmettere la radiazione con polarizzazione orizzontale H verso il un quarto divisore di fascio HBS, mediante un secondo specchio M2.

Il terzo divisore di fascio VBS è dotato di una prima porta d’ingresso V1, di una seconda porta di ingresso V2, di una prima porta di uscita V3 e di una seconda porta di uscita V4.

Il quarto divisore di fascio HBS è dotato di una terza porta d’ingresso H1, di una quarta porta di ingresso H2, di una terza porta di uscita H3 e di una quarta porta di uscita H4.

Inoltre, l’apparato ricevitore RX comprende un primo dispositivo rivelatore C1, un secondo dispositivo rivelatore C2, un terzo dispositivo rivelatore C3 ed un quarto dispositivo rivelatore C4. Tali rivelatori C1-C4 possono essere dei comuni convertitori opto-elettronici quali dei fotorivelatori.

Il primo dispositivo rivelatore C1 è collegato alla prima porta di uscita V3 per convertire in un primo segnale elettrico i1(tipicamente una corrente elettrica) la radiazione ottica uscente dalla prima porta di uscita V3.

Il secondo dispositivo rivelatore C2 è collegato alla seconda porta di uscita V4 per convertire in un secondo segnale elettrico i2la radiazione ottica uscente dalla seconda porta di uscita V4.

Il terzo dispositivo rivelatore C3 è collegato alla terza porta di uscita H3 per convertire in un terzo segnale elettrico i3la radiazione ottica uscente dalla terza porta di uscita H3.

Il quarto dispositivo rivelatore C4 è collegato alla quarta porta di uscita H4 per convertire in un quarto segnale elettrico i4la radiazione ottica uscente dalla quarta porta di uscita H4.

Inoltre, l’apparato ricevitore RX comprende un blocco decisore DEC il quale elabora la i segnali elettrici i1-i4. In particolare, il blocco decisore DEC è tale per cui il primo rivelatore C1 ed il secondo rivelatore C2 sono collegati in configurazione differenziale in modo da calcolare una somma fra il primo segnale elettrico i1ed il secondo segnale elettrico i2,ottenendo un primo segnale intensità I1.

Il blocco decisore DEC è strutturato in modo che il terzo rivelatore C3 ed il quarto rivelatore C4 siano posti in configurazione differenziale in modo da calcolare una somma fra il terzo segnale elettrico i3ed il quarto segnale elettrico i4, ottenendo un secondo segnale intensità I2.

Il funzionamento dell’apparato ricevitore RX si basa sui seguenti due principi qui sotto riportati: A) quando una lamina ritardatrice a mezz’onda è posta a 45° di orientazione rispetto agli assi principali di un divisore di fascio in polarizzazione , essa ribalta di 180° la Sfera di Poincaré attorno a questo asse ed introduce uno sfasamento di 180° fra due stati ortogonali;

B) l’intensità di un segnale di qualsiasi stato di polarizzazione può essere ricostruita completamente mediante la somma delle intensità misurate direttamente e misurate sul segnale ribaltato di 180° attorno ad un asse posto a 45° rispetto alla direzione dell’analizzatore.

Applicando questi due principi risulta evidente che è possibile ricostruire il valore del parametro di Stokes intensità relativo alle componenti orizzontale e verticale del SOP trasmesso indipendentemente dalla evoluzione che esso ha subito nel percorso trasmissivo. Inoltre, mediante l’impiego di rivelatori C1-C2 e C3-C4 posti in configurazione differenziale, la ricostruzione avverrà senza perdite di potenza di principio e quindi garantendo il massimo rapporto Segnale/Rumore ottenibile.

In maggior dettaglio, la radiazione ottica ricevuta R-OR viene divisa dal secondo divisore di fascio BS2 in una porzione di radiazione trasmessa ORX1 e in una porzione di radiazione riflessa ORX2.

La porzione di radiazione riflessa ORX2 si propaga verso il secondo divisore di fascio in polarizzazione PBS2 che trasmette una corrispondente prima porzione di radiazione H-R1 con polarizzazione orizzontale, la quale è riflessa dal secondo specchio M2 verso il quarto divisore di fascio HBS.

Il secondo divisore di fascio in polarizzazione radiazione PBS2 riflette una seconda porzione di radiazione V-R2 con polarizzazione verticale verso il terzo divisore di fascio VBS.

La porzione di radiazione trasmessa ORX1 che attraversa il secondo divisore di fascio BS2 attraversa la seconda lamina a mezz’onda WP2 la quale, come già detto, provoca una rotazione di 90° della polarizzazione associata alla radiazione che l’attraversa ed introduce uno sfasamento di 180° fra le due polarizzazioni ortogonali.

Il primo divisore di fascio in polarizzazione PBS1 analizza la radiazione ottica uscente dalla seconda lamina a mezz’onda WP2 e riflette una terza porzione di radiazione HV-R3 con polarizzazione verticale, (corrispondente alla porzione con polarizzazione orizzontale della radiazione trasmessa ORX1 incidente sulla seconda lamina a mezz’onda WP2) verso il quarto divisore di fascio HBS.

Inoltre, il primo divisore di fascio in polarizzazione PBS1 trasmette una quarta porzione di radiazione VH-R4 con polarizzazione orizzontale, (corrispondente alla porzione con polarizzazione verticale della radiazione trasmessa OR2 incidente sulla seconda lamina a mezz’onda WP2) verso il terzo divisore di fascio VBS, tramite il primo specchio M1.

Nel terzo divisore di fascio VBS incidono la seconda porzione di radiazione V-R2 e la quarta porzione di radiazione V-R4 che trasportano l’informazione relativa ai livelli di intensità come modulati dall’apparato trasmettitore TX in relazione alla polarizzazione verticale V ma che risultano ortogonali in polarizzazione e quindi, non interferiscono distruttivamente.

In tale terzo divisore di fascio VBS ciascuna delle porzioni di radiazione V-R2 e VH-R4 si suddivide (ad esempio, al 50%) sulle due uscite V3 e V4 e su ognuna di tali uscite la prima porzione di radiazione V-R2 si ricombina con la quarta porzione di radiazione VH-R4.

Considerazioni analoghe si possono effettuare in merito al quarto divisore di fascio HBS e alla prima porzione di radiazione H-R1 con polarizzazione orizzontale alla terza porzione di radiazione HV-R3 che incidono al quarto divisore di fascio HBS stesso.

Il modulo decisore DEC calcola il primo segnale intensità I1, rappresentativo delle intensità assunte dalla prima radiazione ottica OR1 come modulata, ed il secondo segnale intensità I2, rappresentativo delle intensità assunte dalla seconda radiazione ottica OR2 come modulata.

Quindi, il blocco decisore confronta il primo segnale intensità I1ed il secondo segnale intensità I2con relativi valori di soglia riconoscendo quindi il simbolo appartenente alla costellazione mostrata in figura 2 che era stato trasmesso.

Secondo una prima forma di attuazione alternativa a quella mostrata in figura 1, l’apparato ricevitore RX può essere realizzato con un approccio coerente secondo il quale la radiazione ottica ricevuta R-OR viene convertita in un segnale elettrico che è fatto interferire con un oscillatore locale e mediante un dispositivo chiamato “phasediversity” proiettato nelle due quadrature, digitalizzato con un campionatore digitale ad alta cadenza di campionamento e analizzato con tecniche digitali. Questa metodologia può richiedere l’uso di tecniche elettroniche ultra-veloci.

In accordo con una seconda forma di attuazione alternativa, definibile di tipo “incoerente”, l’apparato ricevitore RX utilizza un rivelatore dei parametri di Stokes, disponibile in commercio, della radiazione ottica ricevuta R-OR operante alla frequenza di simbolo consentendo di identificare il punto rappresentativo del SOP sulla sfera di Poincaré. Si osservi che al fine del riconoscimento dei simboli trasmessi non occorre conoscere completamente il SOP della luce in arrivo al ricevitore ma solo la componente in direzione dell’asse Verticale ed Orizzontale.

Secondo una terza forma di attuazione alternativa l’apparato ricevitore RX comprende, invece dei componenti mostrati in figura 1, un divisore di fascio in polarizzazione che consente di proiettare la radiazione ottica ricevuta OR-R sui due assi verticali H e V e che con relativi convertitori opto-elettronici permette la misura di un parametro di Stokes quale l’intensità. Così facendo però non si riuscirebbe a comprendere come la dimensione della sfera di Poincaré varia ovvero a distinguere la modulazione della intensità multilivello nelle componenti H e V da una semplice variazione della proiezione dello stato SOP di ingresso sul quarto divisore di fascio in polarizzazione. Per ottenere direttamente sia l’identificazione del SOP in arrivo in termini di componente orizzontale H e verticale V ed anche lo stato multilivello di modulazione (cioè l’intensità) si potrebbe porre all’ingresso del ricevitore uno “stabilizzatore di polarizzazione “ atto a ri-aggiustare il sistema di riferimento del SOP indipendente dalla modifica subita in trasmissione.

In figura 3 sono mostrate quattro forme di attuazione dell’apparato trasmettitore TX che implementano tecniche che assicurano la coerenza fra la prima radiazione ottica OR1 generata dalla prima sorgente S1 e la seconda radiazione ottica OR2 generata dalla seconda sorgente S2.

Secondo la forma di realizzazione di figura 3a, che effettua operazioni di “injection seeding”, l’apparato trasmettitore TX mostrato in figura 1 è inoltre provvisto di una sorgente master di radiazione ottica SM(un laser)” e che inietta una radiazione ottica OR che diventerà radiazione laser mediante emissione stimolata da parte di due sorgenti laser “slave”, e cioè la prima sorgente S1 e la seconda sorgente S2. Per l’implementazione di questa modalità si consideri il documento di arte nota indicato con [1] nella parte introduttiva.

Secondo la forma di realizzazione di figura 3b, che effettua operazioni di “self injection seeding”, la prima e la seconda sorgente S1 e S2 (di caratteristiche molto simili in termini spettrali e di lunghezza d’onda centrale) sono forzate ad emettere la radiazione stimolata (radiazione laser) alla stessa lunghezza d’onda mediante uno scambio reciproco di potenza ottenuta mediante l’inserimento di un primo accoppiatore di potenza PC1 e di un secondo accoppiatore di potenza PC2 (cioè due divisori di fascio) fra le uscite della prima e della seconda sorgente S1 ed S2.

La figura 3c mostra un’altra forma dell’apparato trasmettitore TX comprendente una singola sorgente laser S1 la cui radiazione di uscita è separata in due fasci da un divisore di fascio di trasmissione BS0. I due fasci di radiazione ottica uscenti dal divisore di fascio di trasmissione BS0 sono poi modulati in intensità mediante un primo modulatore esterno EMOD1 ed un secondo modulatore esterno EMOD2. Ad esempio, il primo ed il secondo modulatore esterno EMOD1 e EMOD2 possono essere di tipo elettro-otico o elettro-assorbitivo.

Analogamente a quanto mostrato in figura 1, gli apparati trasmettitori delle figure 3a, 3b e 3c possono essere dotati della prima lamina a mezz’onda WP1 e del primo divisore di fascio BS1 in modo ottenere la radiazione ottica combinata T-OR. Le tecniche rappresentate dalle figure 3a, 3b e 3c si possono applicare a qualsiasi sorgente laser ed in particolare a sorgenti di tipo VCSEL e R-SOA.

La figura 3d mostra un'altra forma di attuazione dell’apparato trasmettitore TX secondo la quale la prima sorgente S1 e la seconda sorgente S2 sono inserite in un circuito ottico risonante parzialmente condiviso. In particolare, l’apparato trasmettitore di figura 3d comprende un primo specchio di retroazione FM1 associato alla prima sorgente S1, un secondo specchio di retroazione FM2 associato alla seconda sorgente S2, e uno terzo specchio di retroazione FM3 (parzialmente riflettente) in uscita al primo divisore di fascio BS1. Per l’implementazione di questa modalità si consideri il documento di arte nota indicato con [2] nella parte introduttiva.

Si noti come la soluzione descritta con riferimento alle figure da 1 a 3 permetta di realizzare una trasmissione ottica multilivello utilizzando due distinte sorgenti laser al trasmettitore mantenute ortogonali in polarizzazione ed uno schema a differenza di polarizzazione al ricevitore. Come si evince da quanto descritto, mediante il primo sistema di comunicazione ottica 100 è possibile realizzare in modo non eccessivamente complesso ed efficace una modulazione di tipo “multilivello” simile a quella conosciuta come Quadrature Amplitude Modulation (QAM), ma differente da questa perché realizzata con variazioni di intensità poste in quadratura e non variazioni di ampiezza per cui detto schema è meglio definibile come Quadrature Intensity Modulation (QIM).

Con riferimento alla ricezione, la tecnica nota per rivelare segnali di tipo multilivello QAM (o QIM) impiega la rivelazione coerente. L’apparato ricevitore RX sopra descritto è invece basato solo sulla rivelazione diretta a multilivello di intensità. Questo è un vantaggio nelle applicazioni in cui il costo, l’ingombro e la dissipazione di potenza siano parametri critici.

In particolare, siccome il primo sistema di comunicazione 100 descritto permette di realizzare una trasmissione multilivello senza la necessità di rivelazione coerente (in generale molto complessa e costosa) esso permette di evitare l’impiego di sistemi di trattamento di segnali (Analog to Digital Converter, ADC e Digital Signal Processor, DSP) operanti al baud-rate e quindi risulta particolarmente vantaggioso per le soluzioni in cui la dissipazione di potenza degli apparati ricetrasmissivi sia un problema. Questo vantaggio è ulteriormente accresciuto dal fatto che lo schema non necessita di modulazione esterna delle sorgenti. Lo schema proposto trova quindi moltissime applicazioni in tutti i moderni (presenti e futuri) apparati di comunicazione ottica.

Si osservi inoltre lo schema QIM descritto con riferimento al primo sistema di comunicazione ottica 100 permette di aumentare la capacità trasmissiva (bit-rate) a parità di banda di trasmissione utilizzata (baud-rate) perché permette di moltiplicare per “n” il baud-rate trasmissivo. Questa caratteristica aumenta in generale l’efficienza spettrale complessiva del sistema di comunicazione ottica e riduce le penalizzazioni dovute al mezzo trasmissivo 400. Per esempio, quando la propagazione avviene nel canale “fibra-ottica” il sistema di figura 1 riduce in particolare le penalizzazioni dovute alla dispersione cromatica molto sensibili alla banda del segnale.

La figura 4 mostra schematicamente un secondo sistema di comunicazione ottica 200 che implementa una modulazione di fase di tipo QPSK, Quadrature Phase Shift Keying. Il secondo sistema di comunicazione ottica 200 comprende un apparato trasmettitore a modulazione di fase TXPSKe un apparato ricevitore a demodulazione di fase RXPSKcollegati dal mezzo ottico 400.

L’apparato trasmettitore a modulazione di fase TXPSKcomprende i seguenti componenti già descritti: la prima sorgente S1, la seconda sorgente S2, il primo divisore di fascio BS1 (preferibilmente, di tipo sensibile alla polarizzazione giusto) e la prima lamina a mezz’onda WP1. La prima lamina a mezz’onda WP1 consente di ruotare la polarizzazione della prima radiazione OR1 se questa non fosse già orientata verticale.

Il primo divisore di fascio BS1 è tale da combinare la prima radiazione ottica OR1 e la seconda radiazione ottica OR2 in una prima radiazione combinata ORC1.

Inoltre, l’apparato trasmettitore a modulazione di fase TXPSKcomprende una terza sorgente di radiazione ottica S3 e una quarta sorgente di radiazione ottica S4, entrambi di tipo analogo alla prima e alla seconda sorgente S1 e S2.

La terza sorgente di radiazione ottica S3 genera una terza radiazione ottica OR3, sotto forma di fascio, che incide su un primo divisore di fascio di trasmissione BST1(preferibilmente, di tipo sensibile alla polarizzazione) avente una uscita allineata ad una terza lamina a mezz’onda WP3.

La terza lamina a mezz’onda WP3 presenta gli assi principali paralleli a quelli del primo divisore di fascio di trasmissione BST1ed è in grado quindi di introdurre un ritardo di fase per la radiazione che la attraversa pari a 180°.

La quarta sorgente S4 è tale da fornire una quarta radiazione ottica OR4 in modo che incida su una quarta lamina a mezz’onda WP4 posta con i propri assi principali ruotati di 45° rispetto agli assi principali del primo divisore di fascio di trasmissione BST1. La quarta lamina a mezz’onda WP4 consente di ruotare lo stato di polarizzazione della quarta radiazione ottica OR4 nel caso questa non fosse già verticale.

Il primo divisore di fascio di trasmissione BST1è tale da combinare la terza radiazione ottica OR3 e la quarta radiazione ottica OR4 in una seconda radiazione ottica combinata ORC2 orientata in modo da incidere, per esempio, su un terzo specchio M3.

Inoltre, un secondo divisore di fascio di trasmissione BST2(insensibile alla polarizzazione e avente, per esempio, una attenuazione di 3 db) è disposto in modo da combinare su un’uscita dell’apparato trasmettitore a modulazione di fase TXPSKla prima radiazione ottica combinata ORC1 e la seconda radiazione ottica combinata ORC2 (come riflessa dal terzo specchio M3) in modo da formare una radiazione ottica trasmessa OROut.

La prima sorgente S1, la seconda sorgente S2, la terza sorgente S3 e la quarta sorgente S4 sono poste in coerenza fra loro mediante tecniche analoghe a quelle descritte con riferimento alla figura 3. La prima sorgente S1, la seconda sorgente S2, la terza sorgente S3 e la quarta sorgente S4 possono essere sorgenti laser del tipo già descritto con riferimento alla figura 1.

Si osservi che grazie all’azione della prima lamina a mezz’onda WP1 la seconda radiazione ottica OR2 viene sfasata di 90° rispetto alla prima radiazione ottica OR1. La terza radiazione ottica OR3 viene sfasata di 180° rispetto alla prima radiazione ottica OR1 dalla terza lamina a mezz’onda WP3; la quarta radiazione ottica OR4 viene sfasata di 270° rispetto alla prima radiazione ottica OR1 grazie all’azione della quarta lamina a mezz’onda WP4 e della terza lamina a mezz’onda WP3.

L’apparato trasmettitore a modulazione di fase TXPSKcomprende un secondo apparato modulatore MOD2 associato alle sorgenti S1-S4 e configurato per modulare in intensità la prima OR1, la seconda OR2, la terza OR3 e la quarta radiazione ottica OR4 fra una pluralità di livelli di intensità della relativa radiazione ottica.

Preferibilmente, il secondo apparato modulatore MOD2 è tale da effettuare una modulazione diretta ma può essere utilizzata, secondo un’altra forma di attuazione, una modulazione esterna delle relative radiazioni ottiche.

Secondo la forma di attuazione mostrata in figura 1, il secondo apparato modulatore MOD2 è configurato per generare:

un primo segnale modulante DT1 fornito alla prima sorgente S1;

un secondo segnale modulante DT2 fornito alla seconda sorgente S2;

un terzo segnale modulante DT3 fornito alla terza sorgente S3;

un quarto segnale modulante DT4 fornito alla quarta sorgente S4.

Secondo un particolare esempio, ognuno dei segnali modulanti DT1-DT4 è tale da assumere due livelli o valori corrispondenti a due diverse intensità (intensità alta e intensità bassa o sostanzialmente nulla) della relativa radiazione ottica. I segnali modulanti DT1-DT4 sono tali per cui le radiazioni ottiche OR1-OR2 non assumono il livello di intensità alto contemporaneamente ma tale livello viene assunto da una sola radiazione alla volta.

Questo tipo di modulazione evita interferenza fra le radiazioni ottiche OR1-OR4.

Si noti anche che per evitare la perdita della coerenza in corrispondenza del livello basso la radiazione ottica non viene spenta completamente.

Nel funzionamento, i segnali modulanti DT1-DT4 fanno sì che il livello alto sia assunto da una sola sorgente alla volta e gli sfasamenti introdotti dalle lamine a mezzonda WP1, WP3 e WP4 fanno in modo che i simboli trasportabili dalle radiazione ottiche OR1-OR4, che formano la radiazione ottica trasmessa OROut,si possano rappresentare sul piano d’Argand come rappresentato in figura 5. La costellazione di simboli di figura 5 corrisponde ad una modulazione multilivello di tipo QPSK.

L’apparato ricevitore a demodulazione di fase RXPSKpuò essere un ricevitore DQPSK (Differential QPSK), in grado di riconoscere per ciascuna fase del segnale la sua intensità e quindi ricostruire il simbolo ricevuto.

Si osservi che il secondo sistema di comunicazione ottica 200 può anche essere impiegato per la realizzazione di una modulazione di tipo 8-PSK. Ciò si ottiene facendo in modo che il secondo modulatore MOD2 preveda anche la generazione di segnali di modulazione DT1-DT2 che portino a livelli alti anche due sorgenti fra il gruppo di sorgenti S1– S4 contemporaneamente, cioè in modo sincrono, ottenendo la costellazione di simboli rappresentata in figura 6.

In particolare, il secondo modulatore MOD2 è tale da generare anche i segnali modulanti che consentano di portare a livello alto:

la prima radiazione ottica OR1 e la seconda radiazione ottica OR2 : per il simbolo DT12;

la seconda radiazione ottica OR1 e la terza radiazione ottica OR3 : per il simbolo DT23;

la terza radiazione ottica OR3 e la quarta radiazione ottica OR4 : per il simbolo DT34;

la quarta radiazione ottica OR4 e la prima radiazione ottica OR1 : per il simbolo DT41.

Per evitare che la potenza di questi simboli intermedi sia il doppio di quelli per i quali è presente una singola sorgente ottica è possibile modulare le sorgenti di radiazione interessate a metà potenza ottica.

L’apparato ricevitore a demodulazione di fase RXPSKpuò essere realizzato con tecniche note e può comprendere quattro interferometri Mach-Zehnder sbilanciati oppure dei filtri di discriminatori in frequenza. Questa tipologia di ricevitori è adatta anche alle applicazioni di tipo datacom.

Il secondo sistema di comunicazione ottica 200 è può risultare particolarmente vantaggioso quando il mezzo trasmissivo 400 risulti dispersivo e si disponga di un apparato ricevitore di tipo coerente quali quelli sopra citati o quelli di tipo omodina.

Elenco dei riferimenti impiegati nelle figure:

<� sistema di comunicazione ottica digitale 100>

<� apparato trasmettitore TRX>

� apparato ricevitore RX

� mezzo di propagazione della radiazione ottica 400<� prima sorgente S1>

<� prima radiazione ottica OR1>

<� seconda sorgente S2>

<� seconda radiazione ottica OR2.>

<� primo dispositivo di combinazione BS1>

<� radiazione ottica combinata T-OR>

<� primo apparato modulatore MOD1>

<� primo segnale digitale modulante DAT1>

<� secondo segnale digitale modulante DAT2>

<� prima lamina a mezz’onda (�/2) WP1>

<� secondo divisore di fascio BS2,>

<� seconda lamina a mezz’onda WP2,>

<� primo divisore di fascio in polarizzazione PBS1, � secondo divisore di fascio in polarizzazione PBS2, � terzo divisore di fascio in VBS>

<� quarto divisore di fascio HBS.>

� radiazione ottica ricevuta R-OR,

� porzione di radiazione trasmessa ORX1

� porzione di radiazione riflessa ORX2

� seconda lamina a mezz’onda WP2

� prima porta d’ingresso V1,

� seconda porta di ingresso V2,

� prima porta di uscita V3

� seconda porta di uscita V4.

� primo specchio M1

� secondo specchio M2

� terza porta d’ingresso H1,

� quarta porta di ingresso H2,

� terza porta di uscita H3

� quarta porta di uscita H4

� un primo dispositivo rivelatore C1,

� secondo dispositivo rivelatore C2,

� terzo dispositivo rivelatore C3

� quarto dispositivo rivelatore C4

<� primo segnale elettrico i1>

<� secondo segnale elettrico i2>

<� terzo segnale elettrico i3>

<� quarto segnale elettrico i4>

<� prima porzione di radiazione H-R1>

<� seconda porzione di radiazione V-R2>

<� una terza porzione di radiazione HV-R3>

<� una quarta porzione di radiazione VH-R4>

<� sorgente master di radiazione ottica SM>

<� primo accoppiatore di potenza PC1>

<� secondo accoppiatore di potenza PC2>

<� divisore di fascio di trasmissione BS0.>

<� primo modulatore esterno EMOD1>

<� secondo modulatore esterno EMOD2>

<� primo specchio di retroazione FM1>

� secondo specchio di retroazione FM2

� secondo sistema di comunicazione ottica 200 � apparato trasmettitore a modulazione di fase TXPSK � apparato ricevitore a demodulazione di fase RXPS � una prima radiazione combinata ORC1

� terza sorgente di radiazione ottica S3

� quarta sorgente di radiazione ottica S4

� terza radiazione ottica OR3

� primo divisore di fascio di trasmissione BST1 � terza lamina a mezz’onda WP3

� quarta lamina a mezz’onda WP4

� seconda radiazione ottica combinata ORC2

� terzo specchio M3

� secondo divisore di fascio di trasmissione BST2 � radiazione ottica trasmessa OROut

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Sistema di comunicazione ottica (100, 200) digitale comprendente: - un apparato trasmettitore (TX; TXPSK) includente: una prima sorgente (S1) configurata per fornire una prima radiazione ottica (OR1); una seconda sorgente (S2) configurata per fornire una seconda radiazione ottica (OR2) coerente con la prima radiazione; un primo dispositivo di combinazione (BS1) strutturato per trasmettere una radiazione ottica combinata (T-OR; ORC1) ottenuta a partire da almeno una porzione della prima e della seconda radiazione aventi rispettive polarizzazioni/fasi reciprocamente ruotate/ritardate; un apparato modulatore (MOD1; MOD2) associato alla prima e seconda sorgente e configurato per modulare in intensità la prima e la seconda radiazione fra una pluralità di livelli in modo che detta radiazione combinata assuma diversi stati di polarizzazione/fasi corrispondenti ad una pluralità di simboli digitali; - un apparato ricevitore (RX; RXPSK) configurato per ricevere una radiazione ricevuta (R-OR) a partire dalla radiazione combinata e riconoscere i simboli digitali.
2. 2. Sistema (100; 200) secondo la rivendicazione 1, in cui: detto primo dispositivo di combinazione è un divisore di fascio (BS1) disposto in modo da fornire su una propria uscita la radiazione ottica combinata (T-OR; ORC1).
3. 3. Sistema (100) secondo la rivendicazione 1, in cui: la prima sorgente (S1), la seconda sorgente (S2) ed il primo dispositivo di combinazione (BS1) sono strutturati per fornire la radiazione combinata includente una prima componente con polarizzazione lineare e una seconda componente con polarizzazione lineare ortogonale alla polarizzazione della prima componente; l’apparato modulatore (MOD1) è strutturato in modo da modulare in intensità la prima e la seconda sorgente di radiazione in modo che la prima componente possa assumere una prima pluralità di intensità e la seconda componente possa assumere una seconda pluralità di intensità e detta radiazione combinata assuma diversi stati-di-polarizzazione; l’apparato ricevitore è configurato per riconoscere detti simboli digitali riconoscendo valori di intensità assunti dalla prima e dalla seconda componente.
4. 4. Sistema (100) secondo la rivendicazione 3, in cui detto apparato ricevitore (RX) comprende: - un primo gruppo ottico (BS2, PBS2, M2) configurato per prelevare almeno una prima porzione di radiazione ricevuta (ORX2) e separarla in una porzione ricevuta con polarizzazione verticale (V-R2) e una porzione ricevuta con polarizzazione orizzontale (H-R1); - un gruppo opto-elettronico (C1, C2, C3, C4) configurato per convertire la porzione ricevuta con polarizzazione verticale (V-R2) e la porzione ricevuta con polarizzazione orizzontale (H-R1) in un primo segnale elettrico (i1) ed un secondo segnale elettrico (i3); - un blocco decisore (DEC) configurato per confrontare il primo e il secondo segnale elettrico con una pluralità di soglie e riconoscere la pluralità di simboli digitali.
5. 5. Sistema (100) secondo la rivendicazione 4, in cui detto apparato ricevitore (RX) comprende inoltre: - un secondo gruppo ottico (BS2, WP2, PBS1, M1) configurato per: prelevare una seconda porzione di radiazione ricevuta (ORX1); ruotare di 90° la polarizzazione della porzione di radiazione ricevuta (OXR1) e introdurre un ritardo di fase 180° rispetto a detta almeno una prima porzione di radiazione ricevuta (ORX2), separare la porzione di radiazione ricevuta (OXR1) come ruotata in polarizzazione e ritardata in fase in: una componente a polarizzazione orizzontale (VH-R4) e una componente a polarizzazione verticale (HV-R3); combinare otticamente la componente a polarizzazione orizzontale (VH-R4) con la porzione ricevuta con polarizzazione verticale (V-R2) ottenendo una prima radiazione di uscita e una seconda radiazione di uscita; combinare otticamente la componente a polarizzazione verticale (HV-R3) e la porzione ricevuta con polarizzazione orizzontale (H-R1) ottenendo una terza radiazione di uscita e una quarta radiazione di uscita; ed in cui: il gruppo opto-elettronico (C1, C2, C3, C4) è configurato per ottenere dalla prima radiazione di uscita e dalla seconda radiazione di uscita detto primo segnale elettrico (i1) e un primo segnale elettrico addizionale (i2) e ottenere dalla terza radiazione di uscita e dalla quarta radiazione di uscita il secondo segnale elettrico (i3) e un secondo segnale elettrico addizionale (i4); il blocco decisore (DEC) è configurato per elaborare il primo segnale elettrico e il primo segnale elettrico addizionale e il secondo segnale elettrico e il secondo segnale elettrico addizionale ed effettuare confronti con la pluralità di soglie e riconoscere la pluralità di simboli digitali.
6. 6. Sistema (100) secondo almeno una delle precedenti rivendicazioni, configurato in modo da implementare una modulazione di tipo QIM , Quadrature Intensity Modulation.
7. 7. Sistema (200) secondo la rivendicazione 1, in cui: detto apparato trasmettitore (TXPSK) inoltre comprende un componente ottico (WP1) configurato per introdurre uno sfasamento di 90° fra la prima (OR1) e la seconda (OR2) radiazione ottica; detto apparato ricevitore (RXPSK) è configurato per rivelare nella radiazione ottica ricevuta la pluralità di livelli di intensità associati alla prima (OR1) e alla seconda (OR2) radiazione ottica.
8. 8. Sistema (200) secondo la rivendicazione 7, in cui detto apparato ricevitore include: una terza sorgente (S3) configurata per fornire una terza radiazione ottica (OR3); una quarta sorgente (S4) configurata per fornire una quarta radiazione ottica (OR4); uno gruppo sfasatore ottico (WP3, WP4) strutturato per introdurre uno sfasamento di 180° fra la terza radiazione ottica e la prima radiazione ottica e uno sfasamento di 270° fra la quarta radiazione ottica e la prima radiazione ottica.
9. 9. Sistema (200) secondo la rivendicazione 7 o 8, in cui: detto apparato modulatore (MOD2) è configurato in modo che un livello di intensità alto sia assunto per una durata di simbolo in modo selettivo solo da una di dette sorgenti di radiazione ottica, realizzando una modulazione di tipo QPSK.
10. 10. Sistema (200) secondo la rivendicazione 7 o 8, in cui: detto apparato modulatore (MOD2) è configurato in modo che un livello di intensità alto sia assunto anche contemporaneamente per una durata di simbolo in modo selettivo da due di dette sorgenti di radiazione ottica.