ITTO981032A1 - Procedimento e dispositivo per la demultiplazione ottica indipendente dalla polarizzazione. - Google Patents

Description

La presente invenzione si riferisce ai sistemi di comunicazione ottica a divisione di tempo e più in particolare riguarda un procedimento e un dispositivo per la demultiplazione ottica, indipendente dalla polarizzazione, dei segnali trasmessi in uno di tali sistemi, per esempio, un sistema in cui i segnali vengono trasmessi con la tecnica della multiplazione a divisione di tempo ottica (OTDM = Optical Time Division Multiplexing).

In una trasmissione ottica a divisione di tempo gli impulsi ottici corrispondenti ai diversi canali tributari vengono interallacciati in un unico flusso, in posizioni temporali diverse. Si realizzano così trasmissioni a frequenza di cifra molto elevate (dell'ordine anche delle centinaia di Gbit/s) senza bisogno di utilizzare, per la trasmissione e la ricezione dei singoli tributari, componenti opto-elettronici estremamente sofisticati. A queste frequenze di cifra, la demultiplazione deve essere effettuata in maniera completamente ottica e una delle tecniche comunemente utilizzate per questo scopo è il cosiddetto mescolamento a quattro fotoni (o four wave mixing). Il fenomeno del mescolamento a quattro fotoni è un fenomeno non lineare secondo il quale, facendo interagire un segnale di informazione a frequenza fs, di potenza sufficientemente elevata, con una coppia di segnali di pompa o di controllo, aventi rispettive frequenze fp1 , fp2 diverse da fs e aventi anch'essi potenza sufficientemente elevata, si genera un segnale di mescolamento a frequenza fp-j + fp2 - fs· Molto spesso si utilizza una sola frequenza di controllo fp ottenendo un segnale di mescolamento a frequenza 2fp - fs (mescolamento a quattro fotoni parzialmente degenere).

Per la demultiplazione ottica di un flusso ottico a divisione di tempo mediante il mescolamento a quattro fotoni, si inviano in un mezzo ottico non lineare il flusso multiplato e impulsi di controllo che hanno la stessa frequenza di ripetizione dei tributari e sono allineati temporalmente con gli impulsi del canale da estrarre e si effettua in uscita un filtraggio per conservare il solo segnale di mescolamento. Un esempio di questa tecnica è descritto nell'articolo "16 Gbit/s all optical demultiplexing using four wave mixing" di P.A. Andrekson e altri, Electronics Lettere, Voi. 27, N. 11, 23 Maggio 1991, pagg. 922-924.

Questa tecnica di demultiplazione è particolarmente semplice, non ricorrendo a strutture interferometriche, ed è efficiente anche a frequenze di cifra molto elevate; tuttavia la sua efficienza è fortemente dipendente dallo stato di polarizzazione sia del segnale di informazione che dei segnali di controllo. Ora, tenuto conto che le linee di trasmissione in fibra ottica comunemente usate per le telecomunicazioni non sono realizzate in fibra a mantenimento di polarizzazione, sorge l'esigenza di garantire nel demultiplatore la corretta relazione tra lo stato di polarizzazione dei segnali di controllo e dei segnali da demultiplare.

Sono già state proposte in letteratura soluzioni basate su schemi a diversità di polarizzazione che permetono di soddisfare a questa esigenza.

Nell'articolo "Polarisation-independent 100 Gbit/s all-optical demultiplexing using four-wave mixing in a polarisation-maintaining fibre loop" di T. Morioka e altri, Electronics Leters, Voi. 30, N. 7, 31 Marzo 1994, pagg. 591 - 592, si prevede che il mescolamento a quatro fotoni venga effetuato in un anello realizzato in fibra a dispersione spostata e a mantenimento di polarizzazione, in cui le due uscite con polarizzazione ortogonale di un separatore di fascio polarizzante vengono allineate con uno stesso autoasse della fibra a mantenimento di polarizzazione. Poiché l'efficienza di mescolamento per unità di lunghezza, per le fibre a dispersione spostata e a mantenimento di polarizzazione, è molto bassa, occorre impiegare una tratta alquanto lunga di fibra (dell'ordine di qualche chilometro). Le fibre a dispersione spostata e a mantenimento di polarizzazione sono alquanto costose, e ciò rende molto oneroso l’impiego in rete di tali dispositivi, tenuto conto che occorre un demultiplatore per ogni canale.

Una seconda soluzione nota è descrita nell'articolo "Polarisation-independent all-optical demultiplexing up to 200 Gbit/s using four-wave mixing in a semiconductor laser amplifier" di T. Morioka e altri, Electronics Leters, Voi. 32, N. 9, 25 Aprile 1996, pagg. 840 - 842. L'articolo descrive un metodo di demultiplazione in cui il mescolamento a quattro fotoni viene effettuato in un amplificatore ottico a semicondutore, inserito tra due spezzoni identici di fibra a mantenimento di polarizzazione disposti in modo che gli assi di birifrangenza di uno degli spezzoni siano ruotati di 90° rispeto a quelli dell’altro. In questo modo l'effeto depolarizzante della prima fibra - che si traduce in una separazione temporale degli impulsi che si propagano secondo l'asse veloce e l'asse lento - viene compensato dalla seconda fibra. Tutavia, la compensazione ha effetivamente luogo solo se le due tratte hanno esattamente la stessa lunghezza e sono perfettamente orientate: entrambe le condizioni sono abbastanza difficili da raggiungere nella pratica, soprattutto nel momento della produzione industriale di un componente.

Secondo la presente invenzione si forniscono invece un procedimento e un dispositivo che sono autoallineanti, e non richiedono quindi operazioni di montaggio delicate, e che non hanno bisogno di lunghi tratti di fibra speciale e costosa.

Più in particolare, l'invenzione riguarda un procedimento in cui i segnali del flusso da demultiplare e i segnali di controllo sono fatti propagare su un tratto di fibra a mantenimento di polarizzazione che divide detti segnali in due componenti di polarizzazione ortogonali e separate temporalmente, e il mescolamento a quattro fotoni viene effettuato separatamente su dette due componenti dando origine a due segnali di mescolamento distinti. Il procedimento è caratterizzato dal fatto che dette due componenti vengono inviate su un tratto di fibra a dispersione spostata in cui avviene detto mescolamento separato e i segnali di mescolamento distinti sono sottoposti a una riflessione con rotazione di 90° dello stato di polarizzazione e sono inviati verso un ricevitore ripercorrendo il tratto di fibra a dispersione spostata e il tratto di fibra a mantenimento di polarizzazione, dove avviene il ricongiungimento tra detti segnali di mescolamento.

L'invenzione riguarda anche il dispositivo per realizzare il procedimento. Il dispositivo comprende: mezzi per portare a un livello di potenza tale da consentire l'insorgere di fenomeni di non linearità il flusso da demultiplare e segnali di controllo, che si ripetono a cadenza uguale alla cadenza di ripetizione degli impulsi di un canale tributario e sono allineati temporalmente con gli impulsi di un canale da estrarre dal flusso; mezzi, comprendenti uno spezzone di fibra a mantenimento di polarizzazione, per scomporre i segnali ottici di detto flusso e i segnali di controllo in due componenti con stato di polarizzazione ortogonale, separate temporalmente; mezzi per effettuare un mescolamento a quattro fotoni tra i segnali relativi al canale da estrarre e i segnali di controllo, separatamente per dette due componenti, mezzi di filtraggio per isolare i segnali di mescolamento relativi alle due componenti, e mezzi per combinare in un segnale unico i segnali di mescolamento relativi alle due componenti. Secondo l’invenzione, i mezzi per il mescolamento comprendono uno spezzone di fibra a dispersione spostata, che è collegato allo spezzone di fibra a mantenimento di polarizzazione, guida i segnali di mescolamento relativi alle due componenti di polarizzazione verso mezzi atti a riflettere tali segnali di mescolamento e a ruotarne di 90° la polarizzazione, e raccoglie e invia i segnali riflessi nello stesso spezzone di fibra a mantenimento di polarizzazione che aveva dato luogo alla separazione tra le componenti, cosicché tale spezzone costituisce anche i mezzi per combinare in un segnale unico i segnali di mescolamento relativi alle due componenti.

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

- la fig. 1 è uno schema del dispositivo oggetto dell'invenzione;

- la fig. 2 è lo schema di una variante.

Nei disegni, le linee a tratto doppio indicano il percorso di segnali elettrici, e quelle a tratto semplice il percorso dei segnali ottici.

Come si vede in fig. 1 , una prima fibra ottica 1 che porta il flusso a divisione di tempo da demultiplare e una seconda fibra 2 che porta gli impulsi di controllo generati da una sorgente 3 arrivano a un accoppiatore ottico 4. Tra la sorgente di impulsi di controllo 3 e l'accoppiatore 4 è inserito un dispositivo di controllo della polarizzazione 5 che deve assicurare uno stato di polarizzazione voluto per gli impulsi di controllo, per le ragioni che saranno meglio spiegate in seguito. Gli impulsi del segnale di controllo sono allineati nel tempo con gli impulsi del canale tributario da estrarre mediante una linea di ritardo variabile 6 pilotata da un dispositivo 7 di recupero del sincronismo alla frequenza dei tributari.

Dispositivi per il recupero del sincronismo in una trasmissione a divisione di tempo ottica sono ben noti nella tecnica. Un esempio, utilizzabile nella presente invenzione, è descritto nella memoria "A novel approach to pre-scaled clock recovery in OTDM systems" presentata da F. Cistemino e altri alla conferenza ECOC '98, Madrid (Spagna), 20-24 Settembre 1998 e pubblicata alle pagine 477-478 del Voi. I degli atti della conferenza. Questo dispositivo estrae il segnale di orologio a partire da una frazione della potenza dei segnali ottici presenti sulla fibra 1, prelevata tramite un separatore di fascio 9 inserito lungo la lìnea dì trasmissione 1 e inviata al dispositivo 7 tramite un tratto di fibra 10.

L'accoppiatore 4 è seguito da un amplificatore ottico ad alta potenza 11 che porta gli impulsi presenti sull'uscita 12 dell'accoppiatore a una potenza sufficiente perché l'interazione non lineare tra il segnale da demultiplare e gli impulsi di controllo possa avere luogo. L'uscita dell'amplificatore 11 è collegata a sua volta a una porta di ingresso di un cireolatore ottico 13 che ha una porta di ingresso/uscita collegata a un breve spezzone di fibra ottica a mantenimento di polarizzazione 14. All’ingresso della fibra a mantenimento di polarizzazione 14 gli impulsi del segnale di controllo devono avere uno stato di polarizzazione tale da consentire la scomposizione di ogni impulso del segnale di controllo in due componenti ortogonali di polarizzazione, di uguale ampiezza. Questo stato, che nella forma di realizzazione rappresentata in Fig. 1 è imposto dal dispositivo 5, può essere uno stato lineare orientato a 45° rispetto al riferimento ortogonale individuato dagli assi di birifrangenza della fibra a mantenimento di polarizzazione, oppure uno stato ellittico con asse maggiore orientato a 45° rispetto a detto riferimento.

La fibra a mantenimento di polarizzazione 14 scompone gli impulsi del segnale di informazione e del segnale di controllo nelle due componenti ortogonali di polarizzazione, che al termine deila propagazione in tale fibra saranno separate né! tempo. La fibra 14 è collegata a sua volta a un tratto di fibra ottica a dispersione spostata 15 in cui avviene il mescolamento a quattro fotoni tra gli impulsi di ugual polarizzazione.

La lunghezza dello spezzone 14 di fibra mantenimento di polarizzazione dipende dalla sua birifrangenza e dalla larghezza degli impulsi dei segnali di controllo e di informazione, e quindi dalla velocità di trasmissione. Una lunghezza di poche decine di metri è sufficiente per garantire una sufficiente separazione temporale tra i due modi anche per fibre a birifrangenza non particolarmente elevata.

Per quanto riguarda la fibra a dispersione spostata 15, una lunghezza di un paio di chilometri è sufficiente per ottenere una buona efficienza di mescolamento nel caso in cui si usino fibre convenzionali per telecomunicazioni. Tuttavia, come è noto, esistono fibre ad alta non linearità che consentono di ottenere una buona efficienza di mescolamento con lunghezze molto minori: l'uso di queste fibre consente di ridurre notevolmente l'ingombro del dispositivo.

Supponendo di utilizzare il mescolamento a quattro fotoni parzialmente degenere, a titolo di esempio non limitativo si farà riferimento a una lunghezza d’onda di 1544 nm per il segnale d’informazione da demultiplare e a una lunghezza d’onda di 1548 nm per gli impulsi di controllo: il mescolamento a quattro fotoni darà quindi origine a un impulso a lunghezza d’onda di 1552 nm. La fibra a dispersione spostata può avere una lunghezza d’onda di dispersione nulla a 1545 nm e quindi il segnale di mescolamento si trova nella regione di dispersione anomala della fibra. Poiché sia il segnale da demultiplare sia gli impulsi di controllo sono stati scomposti in due componenti ortogonali di polarizzazione separate nel tempo all'interno della fibra a mantenimento di polarizzazione 14, il mescolamento a quattro fotoni lungo la fibra a dispersione spostata 15 darà origine a una coppia di impulsi separati da un tempo pari al ritardo di gruppo delle due componenti.

La fibra 15 termina su un filtro ottico passa-banda 16 con banda passante centrata sulla lunghezza d'onda degli impulsi generati per effetto del mescolamento a quattro fotoni, quindi 1552 nm nell'esempio considerato.

I due impulsi (lento e veloce) uscenti dal filtro 16 sono fatti arrivare su uno specchio di Faraday 17 che ne mota di 90° la polarizzazione e li riflette rinviandoli verso il cireolatore 13 attraverso il filtro 16, la fibra a dispersione spostata 15 e la fibra a mantenimento di polarizzazione 14. La rotazione di 90° dello stato di polarizzazione provocata dallo specchio di Faraday 17 provoca lo scambio tra il modo veloce e il modo lento, cosicché il secondo passaggio lungo la fibra 14 introduce sui due impulsi un ritardo complementare a quello che i due modi avevano subito nella propagazione dal cireolatore verso lo specchio. Al rientro nel cireolatore gli impulsi corrispondenti ai due modi di polarizzazione sono quindi ricombinati in un unico impulso. Questo impulso esce poi attraverso la seconda porta di uscita del cireolatore 1.3 e viene inviato tramite una fibra 18 verso il ricevitore de! sistema, non rappresentato.

II doppio passaggio attraverso il filtro 16 consente una soppressione molto efficiente delle componenti spettrali corrispondenti al segnale di controllo e al segnale di informazione, utilizzando un solo dispositivo. Questo doppio passaggio comporta però una maggior attenuazione del segnale estratto, che può però essere recuperata in parte sfruttando l'amplificazione parametrica dovuta all'interazione lineare, se lo spettro del segnale estratto si trova nella regione di dispersione anomala della fibra 15, come avviene con la scelta di lunghezze d'onda adottata nell'esempio descritto. In ogni caso, il ricevitore può comprendere ulteriori stadi di amplificazione ottica, se questi si rivelano necessari.

Grazie all impiego dello specchio di Faraday 17, che rinvia la coppia di impulsi di mescolamento nella stessa fibra che aveva separato le due componenti di polarizzazione, si eliminano i problemi di allineamento tra gli assi dei due spezzoni utilizzati nel secondo degli articoli di T. Morioka e altri sopra citati, cosicché il dispositivo non pone problemi di montaggio per la fabbricazione pratica. Inoltre, la separazione tra le componenti di polarizzazione avviene in un tratto di fibra diverso da quello che deve effettuare il mescolamento a quattro fotoni, e quindi si eliminano i problemi di costo dovuti all'uso di una lunga tratta di fibra a mantenimento di polarizzazione e dispersione spostata come nell'altro dispositivo noto. A questo riguardo si fa presente anche che la fibra a solo mantenimento di polarizzazione (senza dispersione spostata) è in ogni caso meno costosa di una fibra che presenti entrambe le caratteristiche.

Il dispositivo rappresentato serve per l’estrazione di un canale e quindi deve essere replicato tante volte quanti sono i canali, se si vuole effettuare l'estrazione in parallelo di tutti i tributari. In alternativa, se la fibra 15 lo consente, è anche possibile utilizzare più segnali di controllo, di lunghezza d'onda diversa e sincronizzati ognuno con uno dei tributari.

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

Così per esempio lungo la fibra 15 può essere previsto un separatore di fascio fortemente asimmetrico (p. es. che fornisca su un'uscita il 99% della potenza di ingresso e sull'altra uscita l'1% di tale potenza) per inviare una piccola frazione di potenza verso un dispositivo di monitoraggio che, in una fase di taratura del dispositivo, in assenza di segnale di informazione, permetta di verificare la correttezza dello stato di polarizzazione dei segnali di controllo: la correttezza è garantita quando le ampiezze delle due componenti ortogonali di un impulso di controllo sono uguali fra loro.

Cosi pure, come si vede in fig. 2, è possibile eliminare l'organo di controllo della polarizzazione 5, che conferisce ai segnali di controllo uno stato di polarizzazione predefinito, se il percorso tra la sorgente 3 e la fibra a mantenimento di polarizzazione 14 è realizzato con componenti a mantenimento di polarizzazione. In tal caso lo stato di polarizzazione necessario per il funzionamento (lineare a 45° o ellittico con asse maggiore a 45°) è ottenuto con un opportuno allineamento della polarizzazione della sorgente 3 e con un opportuno orientamento della fibra 14. Dovranno essere a mantenimento di polarizzazione anche i codini di fibra che collegano il cireolatore 13 alle fibre 12, 14 e quelli che collegano l'accoppiatore alle fibre 2, 12; questi ultimi possono tutavia essere anche codini in fibra convenzionale, purché molto brevi.

Nello schema di Fig. 2 si è anche supposto che l'amplificazione dei segnali di informazione e di controllo necessaria per ottenere le potenze richieste perché si verifichi l'interazione non lineare sia ottenuta mediante un unico amplificatore bidirezionale 19, posto tra le due fibre 14 e 15.

Claims (8)

1. Rivendicazioni 1. Procedimento per la demultiplazione ottica di un flusso di segnali ottici di informazione appartenenti a una pluralità di canali tributari multiplatì a divisione dì tempo, in cui l'estrazione dei segnali relativi a un dato canale viene effettuata sfruttando il mescolamento a quattro fotoni tra i segnali di detto canale e segnali di controllo che si ripetono con una cadenza identica alla cadenza di ripetizione dei segnali del canale e sono allineati temporalmente con questi, e in cui i segnali del flusso da demultiplare e i segnali di controllo sono fatti propagare su un tratto di fibra (14) a mantenimento di polarizzazione che scompone detti segnali in due componenti di polarizzazione ortogonali che vengono separate temporalmente, e il mescolamento a quattro fotoni viene effettuato separatamente su dette due componenti dando origine a due segnali di mescolamento distinti, caratterizzato dal fatto che dette due componenti vengono inviate su un tratto di fibra a dispersione spostata (15), in cui avviene detto mescolamento separato e dal fatto che i segnali di mescolamento distinti sono sottoposti a una riflessione che ne provoca una rotazione di 90° dello stato di polarizzazione e sono inviati verso un ricevitore ripercorrendo il tratto di fibra a dispersione spostata (15) e il tratto di fibra a mantenimento di polarizzazione (14), che ne provoca il ricongiungimento.
2. 2. Procedimento secondo la riv. 1, caratterizzato dal fatto che detti segnali di controllo sono fatti arrivare a detto tratto di fibra a mantenimento di polarizzazione (14) con uno stato di polarizzazione tale che dette due componenti abbiano uguale ampiezza.
3. 3. Procedimento secondo la riv. 1 o 2, caratterizzato dal fatto che detto tratto di fibra a dispersione spostata (15) ha lunghezza d'onda di dispersione nulla tale che i segnali di mescolamento abbiano lunghezza d'onda compresa in una regione di dispersione anomala deila fibra (15) stessa.
4. 4. Dispositivo per la demultiplazione ottica di un flusso di segnali ottici di informazione, appartenenti a una pluralità di canali tributari multiplati a divisione dì tempo ottica, comprendente: mezzi (11; 19) per portare a un livello di potenza tale da consentire l'insorgere di fenomeni di non linearità detti segnali ottici di informazione e segnali di controllo, costituiti da impulsi che si ripetono a cadenza uguale alla cadenza di ripetizione degli impulsi di un canale tributario e sono allineati temporalmente con gli impulsi di un canale da estrarre dal flusso; mezzi (14), comprendenti una fibra a mantenimento di polarizzazione, per scomporre sia gli impulsi del canate da estrarre sia gli impulsi di controllo in due· componenti con stato di polarizzazione ortogonale e separate temporalmente; mezzi (15) per effettuare un mescolamento a quattro fotoni tra gli impulsi del canale da estrarre e gli impulsi di controllo, ini modo da generare segnali di mescolamento separati per dette due componenti; mezzi di filtraggio (16) per isolare i segnali di mescolamento relativi alle due componenti, e mezzi (14) per ricombinare in un segnale unico i segnali di mescolamento relativi alle due componenti, caraterizzato dal fatto che i mezzi (15) per il mescolamento comprendono un trato di fibra a dispersione spostata che è posto in serie al trato di fibra a mantenimento di polarizzazione (14), guida i segnali di mescolamento relativi alle due componenti di polarizzazione verso mezzi (17) atti a riflettere tali segnali di mescolamento e a ruotarne di 90° la polarizzazione, e raccoglie e invia i segnali riflessi nella stessa fibra a mantenimento di polarizzazione (14) che aveva dato luogo alla separazione tra le componenti, cosicché deta fibra a mantenimento di polarizzazione (14) costituisce anche i mezzi per ricombinare in un segnale unico i segnali di mescolamento.
5. 5. Dispositivo secondo la riv. 4, caraterizzato dal fatto che comprende mezzi (5,12; 3, 2, 12) per far arrivare detti segnali di controllo a detto tratto di fibra a mantenimento di polarizzazione (14) con uno stato di polarizzazione tale che dette due componenti abbiano uguale ampiezza.
6. 6. Dispositivo secondo le rivendicazioni 4 e 5, caratterizzato dal fatto che i mezzi (17) di riflessione e rotazione della polarizzazione comprendono uno specchio di Faraday.
7. 7. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 4 a 6, caratterizzato dal fatto che detta fibra a dispersione spostata (15) ha lunghezza d’onda di dispersione nulla tale che i segnali di mescolamento abbiano lunghezza d'onda compresa in una regione di dispersione anomala della fibra stessa (15).
8. 8. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 4 a 7, caratterizzato dal fatto che i mezzi di amplificazione comprendono un amplificatore ottico bidirezionale (19) disposto tra la fibra a mantenimento di polarizzazione (14) e la fibra a dispersione spostata (15).