ITTO940104A1

ITTO940104A1 - Procedimento per la generazione di impulsi ottici ultracorti.

Info

Publication number: ITTO940104A1
Application number: IT94TO000104A
Authority: IT
Inventors: Riccardo Calvani; Renato Caponi; Franco Cisternino; Diego Roccato
Original assignee: Cselt Centro Studi Lab Telecom
Priority date: 1994-02-22
Filing date: 1994-02-22
Publication date: 1995-08-22
Also published as: CA2143051C; ITTO940104A0; CA2143051A1; JPH07248512A; EP0668640A1; US5548603A; DE668640T1; IT1267397B1; EP0668640B1; DE69500533D1; DE69500533T2; JP2681455B2

Abstract

Si ottengono impulsi ottici ultracorti limitati nella trasformata, da utilizzare per sistemi di trasmissione a elevata velocità, per modulazione diretta di un laser e semiconduttore (1) mediante impulsi di durata tale da eccitare solo il primo picco delle oscillazioni di rilassamento della cavità del laser (1), accordata a una lunghezza che le parti di impulso che si sovrappongono all'interno della cavità interferiscano costruttivamente. Gli impulsi emessi dal laser (1) sono poi fatti passare in una fibra a elevata dispersione negativa (8) per compensare l'effetto di fase dovuto all'allargamento dinamico del loro spettro.(Fig.).

Description

"Procedimento per la generazione di impulsi ottici ultracorti"

La presente Invenzione si riferisce ai sistemi di comunicazione in fibra ottica, e più in particolare ha per oggetto un procedimento per la generazione di impulsi ottici ultracorti da utilizzare per sistemi di trasmissione a elevata velocità.

Sono attualmente allo studio sistemi di comunicazione ottica a velocità molto elevate (tipicamente da 10 a 100 Gbit/s e oltre) in cui si trasmettono una pluralità di canali a ciascuno dei quali è associata un'informazione rappresentata da una successione di impulsi 0 e1. Gli impulsi di un canate si ripetono a frequenza di cifra relativamente bassa (fino a 10 Gbit/s) e tra due impulsi successivi di un canale vengono inseriti in una sequenza prestabilita gli impulsi relativi agli altri canali, trasmessi alla stessa frequenza. Questo procedimento di multiplazione, ben noto dalla tecnica dei segnali elettronici, viene denominato nel caso in esame "Multiplazione a Divisione di Tempo Ottica", comunemente nota con la sigia OTDM (acronimo di Optical Time Division Multiplexing).

E' evidente che per sfruttare appieno la capacità del mezzo trasmissivo cori il metodo descritto è desiderabile che gli impulsi siano per quanto possibile stretti per evitare interferenze tra i canali e per consentire la corretta demultiplazione in ricezione. In effetti, a queste velocità la demultiplazione deve essere effettuata in modo completamente ottico. Alcune deile tecniche proposte per questo scopo, che sfruttano II cosiddetto mescolamento a quattro fotoni (Tour Wave Mixing o FWM) o l'effetto Kerr in fibra ottica (Specchio ad Anello Ottico Non Lineare o NOLM, dalle iniziali della denominazione in lingua inglese "Nonlinear Optical Loop Mirrar") e si basano sulla sovrapposizione tra l'Impulso del canale da estrarre e un impulso di pompa all'interno di tale fibra (che agisce come mezzo non lineare), richiedono che i due impulsi restino sovrapposti il più possibile durante il percorso lungo la fibra. Inoltre gli impulsi devono avere forma e caratteristiche di banda tali che gli impulsi stessi si propaghino il più possibile indistorti. Questa esigenza viene generalmente espressa dicendo che gli Impulsi devono essere “limitati nella trasformata" ("transform limited"), indicando con questa espressione che II prodotto tra la larghezza (o durata) a metà altezza At e la larghezza di banda Δν deve avere un certo valore, corrispondente al minimo teorico, che dipende dalla forma dell'impulso: in particolare, poiché gli impulsi più comunemente utilizzati e che han dato risultati migliori nella trasmissione sono gli impulsi gaussiani e a secante iperbolica, il termine “trasform limited" viene usato per indicare impulsi in cui il prodotto ΔΙ Δν assume il valore corrispondente all'impulso gaussiano o all'impulso a secante iperbolica (0,441 e rispettivamente 0,314) o si discosta poco da essi.

Per realizzare impulsi con queste caratteristiche è stato proposto di utilizzare la modulazione diretta di un laser a semiconduttore mediante impulsi di durata tale da eccitare solo il primo picco delle oscillazioni di rilassamento del laser (tecnica della commutazione di guadagno). In tale condizione gli impulsi emessi dal laser presentano, a causa della modulazione, un elevato allargamento dinamico delio spettro ("chirp") e quindi, prima di essere utilizzati, sono fatti propagare in una fibra ottica con caratteristiche di dispersione tali da compensare la distorsione di fase prodotta da tale allargamento. Questa tecnica di generazione di impulsi ottici ultracorti e limitati nella trasformata è descritta p. es. da H. F. Liu e altri in "Generation of an extremely short singlemode pulso (~ 2 ps) by fiber compression of a gain-switched pulso from a 1.3 pm distributed feedback laser diode", Applied Physics Lette rs 59 (11), 9 Settembre 1991, da K. A. Ahmed e altri in "Nearly transform-limited (3-6 ps) generation from gain-switched 1.55 pm distributed feedback laser by using fibre compression technique", Electronics Letters, voi. 29, n. 1, 7 Gennaio 1993, o ancora da J. T. Ong e altri in "Subpicosecond Soliton Compression of Gain-Switched Diode Laser Pulses Using an Erbium-Doped Fiber Amplifier", IEEE Journal of Quantum Electronics, voi.

29, n. 6, Giugno 1993.

Il sistema descritto nel primo degli articoli citati genera un impulso che presenta un prodotto At-Δν compreso nell'intervallo voluto, ma utilizza una sorgente la cui lunghezza d'onda (1,3 pm) non coincide con la lunghezza d’onda di dispersione nulla (~1,55 pm) delle fibre utilizzate nel sistemi di demultiplazione ottica finora proposti; Inoltre l'Impulso è fortemente affetto da rumore e ha una forma (impulso lorenziano) che non viene normalmente presa in considerazione per la trasmissione di informazioni. I procedimenti descritti nel secondo e terzo articolo utilizzano sorgenti a lunghezza d'onda di 1,55 pm, come richiesto per la successiva demultiplazione, ma danno origine a impulsi in cui il prodotto Δί-Δν è molto lontano dall'intervallo voluto.

Secondo l’invenzione, si fornisce invece un procedimento che, grazie ali' introduzione di un parametro di controllo aggiuntivo sulla forma degii impulsi, permette di ottenere impulsi alla lunghezza d'onda richiesta per la successiva demultiplazione con un prodotto At-Δν compreso nei limiti richiesti.

L'invenzione fornisce un procedimento in cui si generano per modulazione diretta di un laser a semiconduttore impulsi corrispondenti al primo picco delle oscillazioni di rilassamento della cavità del laser e aventi durata superiore al loro tempo di volo all'interno della cavità, cosicché in questa si ha una sovrapposizione tra parti di impulso corrispondenti a un tempo di volo; si fanno passare tali impulsi in una fibra a elevata dispersione negativa per compensare {'effetto di fase dovuto all'allargamento dinamico del loro spettro; e si accorda termicamente la lunghezza della cavità del laser a un valore tale che le parti di impulso che si sovrappongono all'interno della cavità siano associate a campi che interferiscono in modo da accentuare il picco centrale e ridurre al minimo l'incidenza delle code.

Questa lunghezza corrisponde a una condizione in cui si ha autocorrelazione pura con durata minima.

L'invenzione è stata originata dall'osservazione quotidiana del comportamento della sorgente, che ha fatto ritenere che la temperatura ambiente ne influenzasse le caratteristiche di emissione impulsiva. Uno studio più approfondito ha in effetti dimostrato che le tracce di autocorrelazione degli impulsi uscenti dalla fibra di compensazione mostrano un andamento periodico al variare della temperatura del laser e in particolare che periodicamente si ottengono impulsi le cui caratteristiche di durala e forma sono particolarmente soddisfacenti. Tenendo conto del fatto che la durata degli impulsi è superiore al tempo di volo all'interno della cavità del laser, cosicché il segnale emesso da questo deriva dalla sovrapposizione tra parti diverse di un impulso, gli inventori hanno ritenuto che questo comportamento periodico fosse dovuto a condizioni diverse di interferenza tra le varie parli del segnale dovute al variare della lunghezza della cavità con la temperatura, e quindi hanno sfruttato il controllo di temperatura per portare il laser ad operare in una delle condizioni in cui si ha l'impulso di durata minima, in particolare nella condizione più vicina alle normali condizioni ottimali di lavoro.

Secondo un altro aspetto dell’invenzione, si fornisce anche un sistema di comunicazione ottica a elevata frequenza di cifra, in cui si trasmettono una pluralità di canali a ciascuno dei quali è associata un'informazione rappresentata da una successione di impulsi ottici ultra-corti che si ripetono a frequenza di cifra relativamente bassa rispetto alla frequenza di cifra complessiva e si effettua una demultiplazione completamente ottica basata sulla sovrapposizione tra un impulso di pompa e l'impulso di un canale da estrarre all'interno di una fibra ottica che agisce da mezzo non lineare, e in cui gli impulsi ultra-corti da trasmettere e l'impulso di pompa sono generati con un procedimento come definito sopra.

A maggior chiarimento si fa riferimento ai disegni allegati, in cui:

- la fig. 1 è uno schema di un’apparecchiatura per la realizzazione del procedimento secondo l'invenzione, e

- la fig. 2 mostra le tracce di autocorrelazione, ottenute sperimentalmente, degli impulsi generati con l'apparecchiatura di fig. 1 al variare della temperatura; e - la fig. 3 mostra le corrispondenti tracce di autocorrelazione teoriche nel caso di impulso gaussiano.

L'apparecchiatura illustrata in fig. 1 è quella descritta in letteratura per la generazione di impulsi ultracorti e "transform limited". Il percorso dei segnali elettrici è indicato con linee a tratto spesso e quello dei segnali ottici con linee a tratto sottile. Un laser a semiconduttore 1 è portato a operare in condizioni di commutazione di guadagno da impulsi elettrici di frequenza opportuna (p. es. compresa fra un centinaio di MHz e qualche GHz) emessi da un generatore di pettine 2 pilotato da un generatore di segnali sinusoidali 3 tramite un amplificatore 4. Gli impulsi sono forniti all'ingresso di modulazione dei laser dopo essere stati attenuati in un attenuatore 5 e sommati, in un circuito LC 6, a una corrente di polarizzazione fornita da un generatore 7 e avente valore tale da mantenere il laser 1 ben al di sotto della soglia di emissione stimolata. Vantaggiosamente, il laser è un laser a reazione distribuita, in quanto tale tipo di laser, oltre ad avere lunghezze d'onda di emissione comprese nelia gamma normalmente usata per le trasmissioni ottiche e in particolare le lunghezze d'onda richieste dai sistemi di demodulazione completamente ottica, presenta le migliori caratteristiche di monomodalità. Tramite un opportuno sistema ottico schematizzato dall'isolatore 9 (che evita riflessioni all'interno deila cavità) e dall'obiettivo 10, gli Impulsi emessi dal laser 1 sono inviati in uno spezzone di fibra ottica 8 a elevata dispersione negativa (per esempio una dispersione compresa all’incirca tra -60 e -70 ps/nm/Km), di caratteristiche complementari a quelle dovute all'effetto di distorsione della fase prodotta dall'allargamento dinamico deilo spettro, e di lunghezza tale da compensare il suddetto effetto. Gli impulsi uscenti dalia fibra 8 sono inviati a un amplificatore ottico 11 e quindi al dispositivi di utilizzazione (p. es. un modulatore elettro-ottico se gli impulsi sono utilizzati come portante di trasmissione, o la fibra di un demultlpiatore ottico, se l'impulso è utilizzato come segnale di pompa per la demultiplazione ottica).

Come detto nella discussione della tecnica nota, gli impulsi ottenuti all'uscita della fibra 8 non presentano caratteristiche soddisfacenti in termini di prodotto At-Av. Pertanto, secondo l'invenzione, si effettua un'ulteriore correzione della larghezza e della forma dell'impulso agendo sulla temperatura di lavoro del laser e quindi sulla lunghezza ottica della cavità.

Più in particolare, in una fase di calibrazione dell'apparecchiatura, la temperatura di lavoro viene fissata a un vaiore tale che vi siano condizioni di interferenza favorevoli tra le varie parti di impulso corrispondenti a un tempo di volo all'Interno della cavità dei laser, cioè condizioni in cui si accentua il picco centrale e si riduce al minimo l'influenza delle code. L'ottenimento di queste condizioni viene rilevato mediante un autocorrelatore e un oscilloscopio in bassa frequenza collegati all'uscita dell'amplificatore 11. Per la regolazione della temperatura si possono utilizzare i convenzionali dispositivi 12 di controllo della temperatura di cui tutti i laser sono dotati. In questo modo, l'impiego dell’invenzione non richiede modifiche della sorgente o la presenza di dispositivi addizionali. Una regolazione abbastanza fine (p. es. a passi di 1/10 di grado o anche meno) è ottenibile con un dispositivo comprendente una cella a effetto Peltier e un termistore.

In generale, considerando a titolo di esemplo un impulso gaussiano, il campo e l'intensità ottici relativi all'impulso e ai suoi primi due ripiegamenti dovuti alle

riflessioni in cavità risultano rispettivamente:

Nelle (1) e (2) ω0 è la frequenza di emissione del laser, τ è il tempo di volo completo (andata e ritorno) all' interno della cavità, T è la durata dell'Impulso e k é una costante fenomenologica che tiene conto delia riflettività e del guadagno residuo della cavità (essendo la durata dell'impulso superiore al tempo di volo nella cavità, si può ritenere

che la cavità risulti ancora attiva allorché in essa l'impulso subisce i successivi ripiegamenti distanziati rispettivamente di uno e due tempi di volo). Dalle relazioni (1) e (2) il tecnico è perfettamente in grado di determinare, data la durata degli impulsi applicati ai laser 1 e le caratteristiche dello stesso, i valori di temperatura a cui si ottiene l'interferenza più favorevole tra le varie parti di impulso sovrapposte, cioè una condizione di profilo di autocorrelazione pura con minima durata. Tra i diversi valori che soddisfano a tale condizione, se ne sceglierà uno prossimo alla temperatura di lavoro considerata ottimale per il normale uso del laser, in particolare ii più vicino.

Nella fìg. 2 si sono rappresentate le tracce di autocorrelazione ottenute all'uscita dell'amplificatore 11 , al variare della temperatura del laser, in un esperimento in cui: la sorgente 1 era un laser a reazione distribuita a singolo modo operante a 1548 nm e avente una banda di modulazione di 10 GHz; gli impulsi emessi dai generatore di pettine 2 avevano durata (a metà altezza) di 70 ps e una tensione di picco nominale di 15 V; lo spezzone di fibra 8, lungo 300 m circa, aveva dispersione, a 1548 nm, di -68 ps/nm/Km. Facendo variare la temperatura del laser 1 tra 8°C e 35°C si sono ottenute tracce che si ripetevano con una periodicità sostanzialmente uguale a 9°C. Le tracce sono riportate solo per l'intervallo di temperatura 17°C - 26°C, cioè per l'intervallo delimitato dai due impulsi consecutivi di forma ottimale più vicini alla normale temperatura di lavoro (circa 20°C). In particolare, l'impulso a 17° presentava una durata di 3,46 ps e un prodotto At-Δν di 0,39, quindi piuttosto vicino al valore richiesto per gli impulsi limitati nella transformata di forma gaussiana.

Il confronto con la fìg. 3, che mostra le corrispondenti tracce di autocorrelazione simulate ottenute nel caso di impulso gaussiano (cioè secondo le relazioni date sopra) utilizzando gli stessi valori dei parametri utilizzati nell'esperimento reale, fa vedere come i risultati pratici siano in buon accordo qualitativo con quelli teorici.

Claims

RIVENDICAZIONI 1 . Procedimento per ta generazione di impulsi ottici ultracorti, in cui si generano per modulazione diretta di un laser a semiconduttore (1) impulsi corrispondenti al primo picco delle oscillazioni di rilassamento della cavità del laser e aventi durata superiore al loro tempo di volo all'interno della cavità, cosicché in questa si ha una sovrapposizione tra parti diverse di impulso corrispondenti ognuna a un tempo di volo, e si fanno passare tali impulsi in una fibra (8) a elevata dispersione negativa per compensare l'effetto di fase dovuto all'allargamento dinamico del loro spettro, caratterizzato dal falto che, per ottenere impulsi limitati nella trasformata ("transform limited"), si accorda termicamente la lunghezza della cavità del laser (1) a un valore tale che le parti di impulso sovrapposte siano associate a campi che interferiscono in modo da accentuare il picco centrale dell'impulso e ridurre al minimo l'incidenza delle code.
2. Procedimento secondo la riv. 1, caratterizzato dal fatto che la lunghezza ottica della cavità dei laser è accordata termicamente sul valore che, tra tutti quelli che danno origine a condizioni di interferenza tati da accentuare il picco centrale dell'Impulso e ridurre al minimo l'incidenza delle code, è il più vicino alla temperatura ottimale di lavoro del laser (1).
3. Procedimento secondo la riv. 1 o 2, caratterizzato dal fatto che l'accordo termico della lunghezza della cavità è ottenuto mediante i dispositivi di controllo della temperatura (12) di cui il laser (1) è dotato, in una fase di calibratura di un'apparecchiatura per la generazioni degli impulsi.
4 . Sistema di comunicazione ottica a elevata frequenza di cifra, in cui si trasmettono una pluralità di canali a ciascuno dei quali è associata un'informazione rappresentata da una successione di Impulsi ottici ultra-corti che si ripetono a frequenza di cifra relativamente bassa rispetto alla frequenza di cifra complessiva e in cui si effettua una demultiplazione completamente ottica basata sulla sovrapposizione tra un impulso di pompa e l'impulso di un canale da estrarre all'interno di una fibra ottica che agisce da mezzo non lineare, caratterizzato dal fatto che gli impulsi ultra-corti da trasmettere e l’impulso di pompa sono generati con un procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 3.