ITTO960562A1

ITTO960562A1 - Procedimento e dispositivo per la generazione di impulsi ottici ultra- corti.

Info

Publication number: ITTO960562A1
Application number: IT96TO000562A
Authority: IT
Inventors: Riccardo Calvani; Renato Caponi
Original assignee: Cselt Centro Studi Lab Telecom
Priority date: 1996-07-02
Filing date: 1996-07-02
Publication date: 1998-01-02
Also published as: CA2209185C; CA2209185A1; ITTO960562A0; JPH1065623A; US5852700A; EP0817409A3; IT1286140B1; EP0817409A2

Description

Descrizione dell'invenzione avente per titolo:

"PROCEDIMENTO E DISPOSITIVO PER LA GENERAZIONE DI IMPULSI OTTICI ULTRACORTI'

La presente invenzione si riferisce ai sistemi ottici di comunicazione e trattamento delle informazioni, e più in particolare ha per oggetto un procedimento e un dispositivo per la generazione di impulsi ottici ultracorti.

Impulsi ottici ultracorti sono utilizzati per diverse applicazioni, quali ad esempio trasmissioni ottiche a velocità molto elevata o misure di saturazione e ricombinazione dei portatori di carica in strutture a semiconduttore quali i pozzi multipli quantistici.

Per quanto riguarda la prima applicazione 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 e 1. Gli impulsi di un canale 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 (multiplazione a divisione di tempo ottica). Ε' evidente che per sfruttare appieno la capacità del mezzo trasmissivo con 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 delle tecniche proposte per questo scopo, che sfruttano il cosiddetto mescolamento a quattro fotoni ("Four 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 Mirror") e si basano sull'interazione 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 in banda" ("transform limited"). Con questa espressione si indica che il prodotto tra la larghezza (o durata) a metà altezza At dell'impulso e la larghezza a metà altezza Δν del suo spettro 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 "limitato in banda” viene usato per indicare impulsi in cui il prodotto At-Δν assume il valore corrispondente all'impulso gaussiano o all'impulso a secante iperbolica (0,441 e rispettivamente 0,314) o se ne discosta poco.

Per la seconda applicazione, si utilizza in genere una tecnica di pompaggio e sondaggio ("pump-and-probe"): nel materiale in esame si invia un impulso a elevata potenza per modificare le caratteristiche del materiale stesso, mentre un secondo impulso, di durata estremamente breve, viene utilizzato per la lettura dell'evoluzione nel tempo delle caratteristiche, con risoluzione elevata.

Sono state proposte numerose tecniche per generare impulsi ultracorti, e in particolare impulsi limitati in banda, e quelle più frequentemente utilizzate o descritte in letteratura utilizzano la modulazione diretta di un laser à 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 dello 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.

Un esempio è descritto nell'articolo "Ultrashort Pulses from a Gain-Switched DFB Laser by Fiber Compensation of thè Chirp and Thermal Tuning of thè Cavity" di R. Calvani e altri, Optical Fiber Technology, N. 1 (1995), pagg.

346 e segg.. In questo articolo si propone un metodo che permette di ottenere impulsi alla lunghezza d'onda richiesta per la successiva multiplazione o demultiplazione (lunghezza d'onda compresa nella terza finestra di trasmissione) e si affinano le caratteristiche degli impulsi regolando termicamente la lunghezza della cavità del laser in modo tale che le parti d'impulso corrispondenti al tempo di volo nella cavità siano associate a campi che interferiscono costruttivamente in modo da accentuare il picco dell'impulso e ridurre al minimo l'incidenza delle code.

Secondo l’invenzione, si fornisce invece un procedimento che sfrutta la potenza di picco come parametro di controllo aggiuntivo, permettendo di ottenere impulsi con prodotto banda-durata entro i limiti richiesti.

Le caratteristiche del procedimento sono descritte nelle rivendicazioni 1-4 che seguono.

L’invenzione fornisce anche il dispositivo che realizza il procedimento, avente le caratteristiche descritte nelle rivendicazioni 5-7 che seguono.

Nell'invenzione, mediante impulsi di durata ed intensità opportune, si genera in una fibra ottica a dispersione spostata l'effetto di modulazione di fase autoindotta (self Phase Modulation o SPM). Lo spettro di tale modulazione contiene un effetto di fase in funzione della frequenza che in prima approssimazione è di tipo parabolico. Introducendo una fibra ottica ordinaria che ha dispersione di segno appropriato e lunghezza opportuna e facendo variare la potenza di picco degli impulsi di partenza si riesce a compensare l’effetto di fase dovuto aU'allargamento dinamico dello spettro della modulazione di fase autoindotta. Risulta così la possibilità di ottimizzare la durata dell'impulso di uscita delimitando con un filtro ottico (accordabile e a banda larga) la zona dove deve avvenire la suddetta compensazione e ricavando da una curva (parabola), che fornisce il quadrato della durata dell'impulso di uscita in funzione della potenza di picco dell'impulso di ingresso, il valore della potenza che corrisponde alla durata minima dell'impulso di uscita.

A maggior chiarimento si fa riferimento al disegno allegato, che mostra lo schema del dispositivo per la realizzazione del procedimento secondo l'invenzione.

Il dispositivo illustrato comprende una sorgente di impulsi a lunghezza d'onda e potenza che soddisfano a certe condizioni che risulteranno dal seguito della descrizione, quale per esempio un laser a centri di colore 1 (accordabile tra 1450 nm e 1700 nm) associato a un laser Nd:YLF 2 (operante a 1053 nm) come sorgente della radiazione di pompa. Tramite un opportuno sistema ottico schematizzato dall'obiettivo 3, gli impulsi emessi dal laser 1 sono inviati in uno spezzone 4 di fibra ottica a dispersione spostata, cioè una fibra in cui la lunghezza d'onda di dispersione nulla cade nella cosiddetta terza finestra di trasmissione (1500 - 1550 nm). Gli impulsi emessi dalla sorgente devono cadere nella regione di dispersione anomala della fibra stessa (cioè avere lunghezza d'onda superiore alla lunghezza d'onda di dispersione nulla della fibra 4), in modo che l'effetto Kerr compensi la birifrangenza della fibra, e potenza tale da dare origine ad modulazione di fase autoindotta.

A monte della fibra 4 è disposto un accoppiatore 11 che trasferisce una frazione della potenza associata agli impulsi a un radiometro 12 o dispositivo analogo per misurare la potenza di picco degli impulsi stessi. Il radiometro 12 è collegato a un calcolatore 13, che comanda le variazioni della potenza di picco richieste dal procedimento, come si vedrà meglio in seguito, e riceve anche informazioni sulla durata degli impulsi uscenti dal dispositivo, fornite da un autocorrelatore 8 che riceve a sua volta, tramite l'accoppiatore 10, una frazione della potenza di uscita.

Lungo il percorso dell'impulso è anche disposta una fibra ottica convenzionale (cioè con dispersione nulla in corrispondenza della seconda finestra di trasmissione, attorno a 1300 nm, e dispersione dell'ordine di 17 ps/nm/Km per le lunghezze d'onda comprese nella terza finestra), di lunghezza complessiva tale da compensare l'effetto di fase in funzione della frequenza e dare origine, in combinazione con un particolare valore della potenza di picco del segnale, a impulsi limitati in banda o comunque di durata molto breve. La fibra convenzionale comprende per esempio due spezzoni distinti 5a, 5b, dei quali il primo è collegato direttamente alla fibra a dispersione spostata 4, mentre il secondo costituisce il collegamento tra un filtro passa banda sintonizzabile 6, collegato all'uscita dello spezzone 5a e atto a selezionare una banda in cui interessa effettuare la compensazione, e un amplificatore ottico 7 che porta la potenza di uscita ai livelli richiesti daH'autocorrelatore 8. La posizione relativa della fibra compensatrice e della fibra a dispersione spostata, o la realizzazione della prima in più spezzoni anziché in un tratto solo, sono comunque fattori ininfluenti ai fini dell'invenzione. Va precisato che i componenti ottici quali il filtro 6, l'amplificatore 7 e gli accoppiatori 10, 11 sono muniti di codini di fibra realizzati mediante fibra convenzionale, e quindi nel determinare la lunghezza complessiva della fibra compensatrice si deve tener conto anche di questi elementi.

Gli impulsi amplificati passano poi ai dispositivi di utilizzazione, non rappresentati (p. es. un modulatore elettro-ottico se gli impulsi sono utilizzati come portante di trasmissione, o la fibra di un demultiplatore ottico, se l'impulso è utilizzato come segnale di pompa per la demultiplazione ottica, oppure ancora i pozzi multipli quantistici in esame, se la sorgente è utilizzata per misure della dinamica di saturazione e ricombinazione dei portatori di carica). Se necessario (p. es. quando il dispositivo di utilizzazione accetta in ingresso una polarizzazione lineare ben definita), sarà anche previsto un dispositivo di controllo della polarizzazione 9.

In un esempio di realizzazione dell'invenzione, il laser 1 emetteva impulsi a lunghezza d’onda λ = 1535 nm; la fibra 4 era uno spezzone lungo 1 Km di una fibra con lunghezza d'onda di dispersione nulla λ0 - 1520 nm e sezione del nucleo 50 p m ^; la fibra compensatrice aveva una lunghezza complessiva di 23 m e un coefficiente β2 = - 2,17· 10'^ ps^/m. Il filtro passa banda 6 era centrato su una lunghezza d'onda di 1550 nm e aveva una larghezza di banda di 5 nm.

L'invenzione sfrutta i risultati dì un'analisi teorica della propagazione di un impulso nella successione di una fibra a dispersione spostata e in una fibra convenzionale.

Nel caso di dispersione, assorbimento ed effetto Raman trascurabili e di impulsi lentamente variabili (ipotesi che è senz'altro valida quando la fibra a dispersione spostata è lunga 1 o 2 Km), questa analisi mostra in primo luogo che la fase dello spettro d'intensità di un impulso che subisce modulazione di fase autoindotta nella fibra a dispersione spostata e la dispersione dell'impulso nella fibra convenzionale hanno, in funzione della frequenza, un andamento parabolico complementare, cosicché la fibra convenzionale ha un'azione compensatrice dell'effetto di fase. Inoltre, tale effetto di fase è anche funzione della potenza di picco dell'impulso. Questa analisi segue le stesse linee di quella riportata nell'articolo di R. Calvani e altri già citato, con le modifiche necessarie per tener conto del fatto che l’allargamento dinamico dello spettro in questa applicazione è dovuto alla modulazione di fase autoindotta, mentre nel caso dell'articolo riguardava lo spettro dell'impulso emesso dalla sorgente.

Un secondo aspetto d'interesse è che, nelle condizioni suddette, il momento centrale del secondo ordine dell'impulso (cioè la varianza temporale dello stesso) è a sua volta una funzione di second'ordine della lunghezza Z della fibra compensatrice, in cui i coefficienti dei termini di primo e secondo grado sono legati al momento del second'ordine dello spettro e il termine noto è legato al momento del second’ordine dell'impulso limitato in banda. Anche queste considerazioni sono riportate nell'articolo citato.

Nel caso specifico di un impulso gaussiano (questa forma essendo scelta a titolo di esempio non limitativo perché consente una più agevole trattazione matematica), si ricava per il quadrato della larghezza a metà altezza At dell'impulso la relazione seguente:

dove:

- z, Z sono rispettivamente la lunghezza della fibra a dispersione spostata e della fibra compensatrice;

- τσ è la semilarghezza dell'impulso in corrispondenza del valore 1/e dell'ampiezza;

- β2 è il coefficiente del termine di secondo grado dell'espressione della dispersione della fibra compensatrice;

- con CDp frequenza della sorgente e n2 indice di rifrazione non lineare della fibra a dispersione spostata;

P è la potenza di picco dell'impulso, riferita all'area efficace della sezione del nucleo della fibra a dispersione spostata.

E' chiaro l'andamento parabolico di At^ in funzione della potenza di picco dell’impulso e della lunghezza della fibra compensatrice. Pertanto, per una data potenza dell'impulso esisterà una lunghezza ottimale della fibra compensatrice che riduce al minimo la durata dell'impulso e, viceversa, per una data lunghezza della fibra, esisterà una potenza ottimale dell’impulso che riduce al minimo la durata dell'impulso. Dal punto di vista operativo, è chiaramente più facile variare la potenza per trovare il valore ottimale di At, e secondo l'invenzione si è scelta questa via. Il valore ottimale Pmin di P e il corrispondente valore Atmin di At sono rispettivamente

come si può dedurre immediatamente. In corrispondenza di Atmjn esiste un corrispondente valore Av mi n (la cui espressione è ricavabile mediante trasformata di Fourier) e il prodotto Atmin’Atmin è dato da

Con il valore di β2 dato sopra e valori di τ0 di alcuni picosecondi il termine quindi il prodotto vale circa 21η2/π (circa 0,44,

corrispondente al prodotto durata-banda di un impulso gaussiano) cosicché l'impulso ultracorto è anche limitato in banda.

Tenuto conto di quanto detto, secondo l’invenzione, in una fase di taratura dell'apparecchiatura, si inviano nella cascata della fibra compensatrice e della fibra a dispersione spostata impulsi a potenza variabile (misurata con il radiometro 12); per ogni valore della potenza si misura la larghezza a metà altezza dell'impulso con l'autocorrelatore 8 e se ne calcola il quadrato, che è una funzione sostanzialmente parabolica della potenza, con concavità rivolta verso l'altro; e si rileva il valore della potenza per cui si ha il vertice della parabola. Questo valore della potenza è quello poi effettivamente utilizzato nell'apparecchiatura. Nell'esempio di realizzazione detto sopra, si sono ottenuti impulsi con durata a metà altezza di circa 170 fs per una potenza di picco dell'ordine di 22 W.

Nel disegno, le linee spesse indicano collegamenti elettrici e quelle sottili collegamenti in fibra.

E' evidente che quanto descritto è dato unicamente a titolo di esempio non limitativo, e che varianti e modifiche sono possibili senza uscire dal campo di protezione dell'invenzione.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per la generazione di impulsi ottici ultracorti, in cui si inviano impulsi, soggetti ad allargamento dinamico dello spettro e con lunghezza d'onda compresa in una prima banda, in una fibra ottica compensatrice (5a, 5b), avente minimo di dispersione in una banda diversa dalla prima e lunghezza e caratteristiche di dispersione tali da compensare la distorsione di fase prodotta daH'allargamento dinamico dello spettro, caratterizzato dai fatto che tali impulsi sono fatti propagare anche in una fibra ottica (4) a dispersione spostata, con minimo di dispersione in detta prima banda, posta in serie a detta fibra compensatrice, e sono inviati nella cascata delle due fibre (4, 5a, 5b) con potenza di picco tale da dare origine a modulazione di fase autoindotta nella fibra a dispersione spostata (4), cosicché la fibra compensatrice (5a, 5b) compensa l'allargamento dinamico dello spettro dovuto alla modulazione di fase autoindotta, e tale da coincidere con il vertice della parabola che rappresenta il quadrato della larghezza a metà altezza degli impulsi espressa come funzione della potenza di picco.
2. Procedimento secondo la riv. 1, caratterizzato dal fatto che detti impulsi hanno lunghezza d'onda compresa nella regione di dispersione anomala della fibra a dispersione spostata (4).
3. Procedimento secondo la riv. 2, caratterizzato dal fatto che comprende una fase di taratura per determinare detta potenza di picco, tale fase comprendendo le operazioni di: inviare nella cascata della fibra compensatrice (5a, 5b) e della fibra a dispersione spostata (4) impulsi a potenza variabile; misurare la larghezza a metà altezza dell'impulso per ogni valore della potenza; calcolare il quadrato di tale larghezza, che è una funzione sostanzialmente parabolica della potenza, con concavità rivolta verso l'altro; e rilevare il valore della potenza per cui si ha il vertice della parabola.
4. Procedimento secondo la riv. 3, caratterizzato dal fatto che gli impulsi che si sono propagati lungo la cascata delle due fibre (4, 5a, 5b) sono sottoposti a un filtraggio passa banda.
5. Dispositivo per la generazione di impulsi ottici ultracorti, comprendente una sorgente (1, 2) di impulsi di lunghezza d'onda compresa in una prima banda; e una fibra ottica monomodo compensatrice (5a, 5b), che viene percorsa dagli impulsi emessi dalla sorgente (1, 2), ha minimo di dispersione in una banda diversa dalla prima e caratteristiche di dispersione tali da compensare la distorsione di fase dovuta a un allargamento dinamico dello spettro degli impulsi stessi, caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre un tratto di fibra ottica a dispersione spostata (4), con minimo di dispersione in detta prima banda, posto in serie a detta fibra compensatrice (5a, 5b) lungo il percorso degli impulsi; e mezzi (13) per regolare la potenza degli impulsi emessi dalla sorgente, in modo tale che questi siano inviati nella cascata delle due fibre (4; 5a, 5b) con potenza di picco tale da dare origine a modulazione di fase autoindotta nella fibra a dispersione spostata (4) e tale da coincidere con il vertice della parabola che rappresenta il quadrato della larghezza a metà altezza degli impulsi espressa come funzione della potenza di picco.
6. Dispositivo secondo la riv. 5, caratterizzato dal fatto che comprende inoltre mezzi (8), collegati a detti mezzi di regolazione (13), per valutare, in una fase di taratura, la larghezza quadratica a metà altezza dell'impulso al variare della potenza, misurata da mezzi di misura della potenza di picco (12), e i mezzi di regolazione (13) sono atti a rilevare il valore della potenza di picco che minimizza detta larghezza quadratica, e comandare la sorgente (1, 2) in modo che trasmetta impulsi con detto valore di potenza.
7. Dispositivo secondo la riv. 5 o 6, caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre un filtro passa banda (6) in serie alla cascata delle due fibre (4, 5a, 5b).