Subsystems for High bit-rate Optical Networks

Questa tesi contiene parte del lavoro svolto negli ultimi tre anni presso i laboratori congiunti del CNIT e della la Scuola Superiore Sant'Anna di Pisa, dove ho lavorato nel gruppo di Sistemi Ottici sotto la supervisione del prof. Ernesto Ciaramella, ed in parte presso il Dipartimento di Fisica dell'Università di Pisa, sotto la supervisione del prof. Niccolò Beverini. Durante questi anni ho avuto l'opportunità di lavorare su vari filoni di ricerca (studio di sorgenti laser impulsate, esperimenti di processamento dei segnali tutto ottico, sistemi di protezione dei guasti di rete,...) inquadrati in differenti progetti di ricerca, ed anche in Università straniere (Massachussetts Intitute of Technology MIT di Boston, USA). In questa tesi verrà comunque descritta solo una parte dei risultati sviluppati. In particolare, verrà discussa la ricerca svolta mirata alla realizzazione di sotto-sistemi che possono essere impiegati nei sistemi di comunicazione ottica (o, più in generale nelle Reti Ottiche) basate su trassmissioni di dati alla frequenza di cifra di 40 Gb/s. Ogni sottos-sistema sarà presentato seguendo un ordine che riproduce quello in cui questi sotto-sistemi sono impegati effettivamente: inizierò descrivendo una sorgente di impulsi ottici ad altissimo bit-rate da impiegare nei sistemi ottici multiplati a divisione di tempo (OTDM); si passerà poi alla descrizione di vari convertitori di lunghezza d'onda che sono utilizzati nei nodi di rete; per concludere, verrà discussa una unità tutta ottica per i recupero del sincronisimo, che è tipicamente impiegata alla fine di un sistema di trasmissione ed è usata per affiancare i ricevitori veri e propri. Tutte queste funzionalità sfruttano le proprietà ottiche non lineari di dispositivi tra i più comunemente usati nei sistemi di comunicazione ottici: le fibre ottiche e gli amplificatori ottici a semiconduttore. Oltre che dalla natura "tutto-ottica", tutti questi dispositivi (o funzionalità) sono accumunati dalla ricerca di semplicità sia realizzativa che progettuale: come verrà mostrato caso per caso, ogni sotto-sistema è stato realizzato cercando di ricorrere al minor numero possibile di dispositivi per ridurre la complessità globale. Questo è un punto fondamentale per dimostrare che le tecnologie "tutto-ottiche" possono rappresentare un'alternativa all'elettronica. Ogni "sotto-sistema" verrà trattato separatamente in un capitolo. Ogni capitolo contiene una breve discussione sulle novità introdotte, rispetto a soluzioni simili presentate in letteratura o in commercio. Benchè il lavoro riportato in questa tesi è essenzialmente di carattere sperimentale, per migliorarne la comprensione e la completezza ogni capitolo contiene dei paragrafi in cui l'argomento viene illustrato dal punto di vista teorico. La tesi è divisa in 4 capitoli secondo lo schema seguente: Una panoramica sui sistemi di comunicazione basati su fibra ottica: un capitolo introduttivo per spiegare l'evoluzione e la struttura e possibili scenari delle Reti Ottiche ed introdurre i motivi fondanti della ricerca riportata nella tesi. Una sorgente solitonica, nel capitolo 2. Questo capitolo contiene una discussione sulla progettazione e la realizzazione di una sorgente laser da impiegare in sistemi OTDM. La sorgente è progetatta per produrre impulsi di durata inferiore al picosecondo ad una frequenza di ripetizione di 40 GHz repetition rate. La sorgente è studiata per essere utilizzata direttamente nei sistemi di comunicazione, senza la necessità di dover ricorrere a stadi di processamento successivi (come la risagomatura degli impulsi, la loro compressione o la rimozione di piedistallo). Gli impulsi sono generati tramite un fenomeno di propagazione in regime non-lineare controllato in una fibra ottica particolare. Benchè la sorgente sia stata progettata per essere impiegata in sistemi OTDM, dato il suo spettro ottico largo e periodico potrebbe essere utilizzata anche in altri ambiti, come verrà discusso più volte nel corso della tesi. Esperimenti di conversione di lunghezza d'onda (includendo anche espeimenti di conversione di lunghezza d'onda multipla), nel capitolo 3. In questo capitolo, la conversione di lunghezza d'onda (ovvero il trasferimento della modulazione contenuta su un segnale ottico ad uno su una portante a lughezza d'onda differente) è dimostrata attraverso diverse tecniche, principalmente ricorrendo alle dinamiche veloci non-lineari deli amplificatori a semiconduttore. In tutti questi esperimenti, verrà trattata in dettaglio anche la realizzazione della conversione di lunghezza d'onda simultaneamente su più canali: in particolare questa funzionalità è ritenuta molto importante per le reti di accesso di prossima generazione.. Uno circuito tutto ottico per l'estrazione del segnale di sincronia da un segnale modulato nel capitolo 4. Lo schema presentato in questo capitolo per i recupero del sincronismo rappresenta un notevole passo in avanti rispetto ai circuiti presentati precedentemente in letteratura, sia in termini di efficienza che di compattezza. Il dispositivo è basato sull'implementazione tutta-ottico del Tank-Circuit (largamente utilizzato in elettronica). Questo circuito si è dimostrato molto versatile: in particolare è stato dimostrato il suo impiego con diversi formati di modulazione, sia con traffico continuo che a pacchetti. Il circuito inoltre è adatto per un'integrazione fotonica ibrida

PBS-free Polarization-Independent PON Coherent Receiver

We introduce a coherent receiver that, without DSP and/or polarization coding at the transmitter, requires no Polarization Beam Splitter and still is polarization-independent. It is experimentally demonstrated at 10 Gbit/s with a sensitivity of −37.6 dBm at FEC level. It can also be operated at higher bit-rates and finds application in high-speed access and datacenter networks

Single and Multicast Wavelength Conversion at 40 Gb/s by means of Fast Nonlinear-Polarization-Switching in an SOA

We experimentally demonstrate all-optical wavelength conversion of a 40-Gb/s nonreturn-to-zero signal by means of nonlinear polarization switching in a single semiconductor optical amplifier (SOA). Using a highly nonlinear SOA optimized for very fast gain recovery time, we observe no appreciable penalty for the conventional (single) wavelength conversion. We also obtain, for the first time by using this technique, the simultaneous multiconversion to different wavelengths (four on a 200-GHz frequency grid) of an input signa

All-Optical Clock Recovery for NRZ-DPSK Signals

We experimentally demonstrate an optical clock recovery scheme for nonreturn-to-zero differential phase shifting keying (NRZ-DPSK) data. By using an optical circuit made by a proper fiber Bragg filter and a Fabry-Pérot based clock extraction circuit, we obtain a stable and low jitter 10-GHz optical clock signal. This signal shows comparable performance with the original electrical clock in bit-error-rate measurements and oscilloscope triggering operation

Remote light source for silicon photonic transceivers in mobile fronthaul applications

The design and experimental characterisation of a depolarised light source for feeding a remote transceiver based on silicon photonics are presented. Since the transceiver only works in TE mode, the source is designed to deliver, over up to 10 km standard single-mode fibre links, a continuous-wave light with almost constant power along this polarisation direction, whatever be the random polarisation rotation because of the fibre link. The depolarised light source is realised by combining the output of two independent distributed feedback lasers, having orthogonal polarisation and controlled frequency difference. The transmission performance and stability of the remote light source are successfully tested

Simple and effective solutions for low-cost coherent WDM-PON

This paper presents the most significant results achieved in the last two years by our group in coherent ultra-dense-WDM PON for λ-to-the-user access. Here we mostly focus on the architectures based on simple OOK-NRZ modulation format. We demonstrated the real-time implementation of our coherent receiver and we proved its compatibility with direct modulated laser (DML). Receiver sensitivities as low as -48 dBm at BER=1·10-3 for 1.25 Gb/s has been observed, showing the feasibility of a coherent ONU receiver based on devices commonly available and with limited cost. The system support quite high ODN losses and allows the λ-to-the-user approach

Coherent PON system with high-sensitivity polarization-independent receiver and no ADC/DSP

A 1.25 Gb/s ASK PON system with -51dBm sensitivity (at BER=2-103) is enabled by a polarization-independent coherent receiver that needs no DSP (nor ADC). The system just uses common DFBs and commercial electronic devices and has 52 dB dynamic range