Generazione di un segnale ottico coerente con un generatore di forme d’onda arbitrarie ad alte prestazioni

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La sempre maggior richiesta di capacità per reti metropolitane e a lunga distanza ha determinato un costante miglioramento delle infrastrutture per reti ottiche in tutto il mondo. Nel corso degli anni è stato possibile aumentare la capacità attraverso una combinazione di diversi meccanismi:

• Installazione di un maggior numero di cavi in fibra ottica.
• Incremento della baud rate (ovvero la quantità di dati che può essere inviata in un secondo attraverso un canale di comunicazione) per un determinate link.
• Miglioramento delle caratteristiche di trasmissione della fibra tramite la riduzione o la diminuzione degli effetti di attenuazione e dispersione
• Multiplaggio di più segnali in una singola fibra tramite la loro assegnazione a differenti lunghezze d’onda.
• Incremento del numero di lunghezze d’onda trasportate da una singola fibra mediante la riduzione della distanza tra di esse.
• Aggiunta di tecniche di FEC (Forward Error Correction) per consentire collegamenti più veloci in ambienti in cui sono presenti perdite di informazioni (lossy) o dispersioni.

I miglioramenti appena descritti sono stati apportati nel tempo ai segnali ottici utilizzando il tradizionale schema di modulazione diretta OOK (On-Off Keying). L’informazione è codificata mediante il controllo di due stati del trasmettitore ottico. In una situazione ideale, in uno di essi viene trasmessa l’intera potenza mentre nell’altro non viene trasmessa alcuna potenza, in modo da permettere la codifica di un solo bit per ciascun simbolo.

Poiché i bit sono trasmessi a una velocità sempre maggiore, i segnali ottici si allontanano dalle condizioni ideali causando l’insorgere di problemi come ampiezza di banda (sia ottica sia elettronica) e dispersione (in special modo la dispersione cromatica) che impediscono ulteriori miglioramenti. Fondamentalmente, la distanza tra lunghezze d’onda contigue in un’installazione DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) limita la baud rate massima alla quale è possibile modulare una singola lunghezza d’onda (Fig. 1).

Fig. 1 – L’efficienza spettrale delle trasmissioni ottiche può essere migliorata modulando sia l’ampiezza sia la fase di una portante ottica che richiede rilevamento e modulazione coerenti. In questo link WDM quattro differenti lunghezze d’onda condividono la medesima fibra in una griglia ITU con spaziatura di 50 GHz. La lunghezza d’onda 4 sta trasportando un segnale a 10 GB/s utilizzando la tradizionale modulazione di intensità (OOK – On-Off Keying). Parte della potenza ottica va direttamente sulla portante e non trasporta alcuna informazione. La portante 3 è modulata usando la modulazione QPSK: in questo caso vengono trasportati 2 bit per ogni simbolo, raddoppiando la capacità del canale che utilizza la modulazione OOK a parità di ampiezza di banda. La capacità può essere incrementata mediante l’uso di schemi di modulazione più complessi o filtraggio in banda base. Le lunghezze d’onda 1 e 3 trasportano segnali a 28 Gbaud con 2 e 5 bit per simbolo rispettivamente

D’altra parte, oltre un certo limite, ciascuna lunghezza d’onda potrebbe interferire con le forme d’onda adiacenti, compromettendo il livello di BER (Bit Error Rate – ovvero la probabilità che il generico bit trasmesso sia ricevuto errato). In queste condizioni l’informazione è trasportata da un unico parametro ottico: la potenza. La fase della portante ottica non è solitamente importante finché il suo comportamento influenza la capacità di supportare le trasmissioni alle velocità richieste. L’ampiezza della linea (line width), una forma di rumore di fase, o il chirp (che varia la lunghezza d’onda durante le transizioni veloci) contribuiscono ad aumentare l’ampiezza di banda di ciascun segnale ottico, provocando quindi un incremento degli effetti dell’interferenza tra le lunghezze d’onda e della dispersione.

Attualmente i link DWDM basati sulla modulazione OOK tradizionale trasportano fino a 160 canali a 10 Gbps (dando origine a una capacità aggregata di 1,6 Tbps) in una griglia ITU con spaziatura a 25 GHz o fino a 40 canali a 40 Gbps in una griglia ITU con spaziatura a 100 GHz. L’affermazione commerciale dei canali da 40 Gbps con modulazione OOK è stata abbastanza limitata a causa dei costi elevati  e della notevole complessità dell’elettronica richiesta e della necessità di adottare tecniche sofisticate di compensazione della dispersione.

L’efficienza spettrale delle trasmissioni ottiche può essere migliorata modulando sia l’ampiezza sia la fase di una portante ottica che richiede rilevamento e modulazione coerenti. Nel link WDM di figura 1 quattro differenti lunghezze d’onda condividono la medesima fibra in una griglia ITU con spaziatura di 50 GHz. La lunghezza d’onda 4 sta trasportando un segnale a 10 GB/s utilizzando la tradizionale modulazione di intensità (OOK – On-Off Keying). Parte della potenza ottica va direttamente sulla portante e non trasporta alcuna informazione. La portante 3 è modulata usando la modulazione QPSK: in questo caso vengono trasportati 2 bit per ogni simbolo, raddoppiando la capacità del canale che utilizza la modulazione OOK a parità di ampiezza di banda. La capacità può essere incrementata mediante l’uso di schemi di modulazione più complessi o filtraggio in banda base. Le lunghezze d’onda 1 e 3 trasportano segnali a 28 Gbaud con 2 e 5 bit per simbolo rispettivamente.

I sistemi di trasmissione RF via cavo e wireless hanno dovuto affrontare problemi del tutto analoghi in passato. I miglioramenti in termini di capacità sono stati possibili solamente grazie all’evoluzione delle tecniche di codifica e di modulazione. Le metodologie più comunemente adottate prevedono l’uso di schemi di modulazione di ordine più elevato – dove durante un tempo di simbolo è trasmesso più di un bit – e lo sfruttamento di differenti tipologie di ortogonalità – che permettono l’invio di più messaggi indipendenti sul medesimo link. L’elemento chiave alla base dell’affermazione di entrambe le strategie è la capacità di controllare l’ampiezza e la fase della portante RF. Il modo più semplice per inviare due trasmissioni indipendenti sulla medesima frequenza portante prevede l’uso di portanti ortogonali con una differenza di fase di 90°. Nelle implementazioni reali, solitamente entrambi i messaggi sono di natura sincrona. I due messaggi possono essere decodificati in maniera indipendente dal ricevitore nel caso le portanti ortogonali originali vengano ripristinate e si applichi una rilevazione coerente. Mediante l’impiego del controllo di ampiezza e fase combinato, è possibile correlare un alfabeto di M simboli (solitamente M=2N) con M stati di modulazione o di combinazioni di ampiezza/fase.

Fig. 2 – Per modulare l’ampiezza e la fase di una portante è possibile utilizzare un modulatore in quadratura. In questo caso due segnali in banda base – denominati I (In-fase ) o Q (in quadratura), modulano in ampiezza due portanti ortogonali (fase relativa di 90o) in modo da implementare ogni stato della modulazione. Il medesimo schema può essere implementato per le portanti ottiche utilizzando due modulatori MZM (Mach-Zehnder Modulator) disposti in una configurazione nota come cella “Super-MZM”

Un modulatore in quadratura (Fig. 2) rappresenta una tipica implementazione di un trasmettitore effettivo. In questo caso, l’ampiezza e la fase della portante sono controllate impostando in maniera indipendente livelli di ampiezza bipolari su due portanti sfasate di 90° formando una configurazione cartesiana (quindi ortogonale) con i componenti I ( in fase) e Q (in quadratura). L’ubicazione dei simboli nel piano IQ e conosciuto come diagramma a costellazione. Gli schemi di modulazione più diffusi come QPSK (Quadrature Phase Shift Keying – 2 bit/simbolo) o M-QAM (Quadrature Amplitude Modulation – log2M bit/simbolo) sono caratterizzati da diagrammi a costellazione quadrati di tipo simmetrico, sebbene siano possibili altre configurazioni o forme di costellazione.  Nei sistemi di trasmissione coerente è richiesta un’elevata purezza spettrale poiché il rumore di fase si traduce in un’imprecisione nella ubicazione dei simboli dando luogo come conseguenza a bit errati.

Sulla carta, sarebbe auspicabile utilizzare il medesimo approccio per il miglioramento della capacità al fine di incrementare l’efficienza spettrale (la quantità di bit/s che è possibile includere in un’ampiezza di banda di 1Hz) dei sistemi di trasmissione ottica. Poiché questo metodo richiede il controllo della potenza e della fase di una portante ottica, tali sistemi di comunicazione possono essere definiti come link ottici coerenti.

Ricercatori e ingegneri richiedono la disponibilità di strumenti adeguati per validare, effettuare la diagnosi e realizzare i loro progetti, prototipi e prodotti.

L’obbiettivo dei produttori operanti nel settore T&M (Test & Measurement) è fornire strumenti di questo tipo. I dispositivi di “stimolo”, ovvero quelli in grado di generare segnali elettrici e ottici con sufficienti livelli di qualità, ripetibilità e accuratezza, sono necessari per il collaudo dei ricevitori e di altri componenti, sistemi e sottosistemi e persino intere reti. Questi generatori di segnali devono essere capaci di generare segnali perfetti (golden) o degradati ed essere in grado di emulare gli effetti dei sistemi di trasmissione e interconnessione. I principali parametri da prendere in considerazione nel momento in cui si devono valutare le prestazioni di un AWG sono i seguenti:

Velocità di campionamento (SR – Sample Rate) – La massima velocità alla quale i campioni digitali possono essere convertiti in campioni analogici da un convertitore D/A.

Ampiezza di banda (BW) analogica – L’ampiezza di banda effettiva per i segnali utili creati dal generatore.

Lunghezza di registrazione (RL) – Dimensione della memoria delle forme d’onda. Essa influenza la finestra temporale non ripetitiva di maggior durata che può essere generata per una data velocità di campionamento.

Risoluzione verticale (Res) – Il numero di bit che definisce un campione in un convertitore D/A. questa specifica influenza il range dinamico poiché il rumore di quantizzazione dipende da questo parametro.

Numero di canali – Il numero di forme d’onda arbitrarie che può essere generato simultaneamente (solitamente in modo sincrono) con lo stesso dispositivo AWG. In alcuni strumenti il numero di canali può essere aumentato mediante la sincronizzazione di più unità. La qualità della sincronizzazione è molto importante in questo tipo di applicazioni.

Fig. 3 – Schema di sincronizzazione di più strumenti consigliato per gli AWG della serie 7000 di Tektronix

Una modulazione complessa richiede più segnali in banda base sincroni (fino a 4 in un link PDM – Polarization Division Multiplex – multiplazione a divisione di polarizzazione). La sincronizzazione di un certo numero di AWG è estremamente importante per ottenere segnali utili. Nella figura 3 viene riportato lo schema di sincronizzazione di più strumenti consigliato per gli AWG della serie 7000 di Tektronix. Con una configurazione di questo tipo è possibile ottenere un disallineamento (skew) tra i canali migliore di 4 ps. Le caratteristiche degli AWG della serie 7000 di Tektronix – 50GS/s, frequenza RF di 20 GHz, SFDR di -80 dBc e memoria di 16GB – ne fanno gli strumenti ideali per applicazioni come quelle descritte in questo articolo.

Dean Miles, senior technical marketing manager, High Performance Product Portfolio, Tektronix

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