SISTEMI DI TRASMISSIONE IN FIBRA OTTICA 05/31/96 SISTEMI DI TRASMISSIONE IN FIBRA OTTICA 1

Storia sintetica della trasmissioni ottiche 1958 - Scoperta del laser 1962 - Laser a semiconduttore 1966 - Teoria delle fibre ottiche 1970 - Prime “vere” fibre ottiche @ 20 dB/km - laser a semiconduttore funzionanti in regime continuo 1976 - Dimostrati sistemi trasmissivi @ 34 Mbit/s su 10 km 1977 - Dimostrati sistemi trasmissivi @ 140 Mbit/s su 10 km - dimostrati laser a semiconduttore con vita di 1.000.000 ore 1978 - Dimostrati sistemi trasmissivi @ 560 Mbit/s su 6 km 1986 - Fibre ottiche @ 0.154 dB/km in terza finestra (minimo teorico) - primo collegamento ottico sottomarino Francia - Inghilterra 1987- Amplificatori ottici a fibra attiva

Storia sintetica della comunicazioni ottiche 1988 - Operativo cavo transatlantico ottico TAT 8 da 8000 circuiti telefonici 1993 - Primi amplificatori ottici commerciali 1994 - Prodotti commerciali WDM a 4 lunghezze d’onda 1995 - Dimostrato sistema WDM a 340 Gbit/s, 17 l , ciascuna @ 20 Gbit/s - Sistema WDM commerciale a 8 lunghezze d’onda 1996 - Sistema WDM commerciale a 16 l - 40 Gbit/s su singola l - Dimostrato sistema WDM @ 2.64 Terabit/s su fibra ottica, con 132 l 1997 - Sistemi WDM commerciali a 32 l E oggi… Capacità dimostrata in laboratorio: WDM su singola fibra circa 10 Tbit/s (273 l @ 40 Gbit/s); OTDM su singola l oltre 1 Tbit/s Sistemi sottomarini WDM, in laboratorio @ 2.4 Tbit/s, in campo @ 0.64 Tbit/s

Sistemi di trasmissione TDM (Time Division Multiplexing) Trasduzione elettrico/ottica (laser) Fibra ottica Dati in forma elettrica (bit) TX (E/O) Amplificatore ottico (booster) Rigeneratore O/E/O elimina disturbi e distorsioni Dati in forma elettrica (bit) Rx (O/E) Fibra ottica Pre-amplificatore ottico Trasduzione ottico elettrica (diodo fotorivelatore)

Sistemi di trasmissione TDM Nei sistemi TDM, i segnali numerici, provenienti in generale da più sorgenti dati, sono “serializzati” da un multiplatore elettronico (MUX) ed il flusso risultante é convertito in segnale ottico dal trasmettitore (Tx). Oltre ai dati, che costituiscono il contenuto informativo da trasportare (payload), sono di regola multiplate anche informazioni di OAM (Operation, Administration & Maintenance). Il segnale ottico può essere amplificato per aumentare la lunghezza di tratta. Se il segnale è degradato (rumore additivo e distorsione, lineare e non lineare) può essere necessaria la rigenerazione 3R (Retiming, Regeneration, Reshaping), cioè un trattamento del segnale (adesso elettrico, in futuro anche ottico) per ricostruirne le caratteristiche di temporizzazione, ampiezza e forma. Al ricevitore sono compiute le operazioni inverse di rivelazione del segnale ottico, trasformazione del segnale elettrico seriale in flussi dati paralleli, estrazione delle informazioni di OAM.

. . . Sistemi di trasmissione TDM - Trasmettitore (ITU-T G691) OA&M Modulazione diretta Driver Tributari, clock MUX, Scrambler, Codifica di linea, ... . . . APC (Automatic Power Control) LD ATC (Automatic Temperature Control) PD Per sistemi ad elevata velocità di trasmissione (≥10 Gbit/s) si adotta la modulazione esterna, utilizzando, tipicamente, un modulatore elettro-ottico di Mach-Zehnder in LiNbO3 . Modulazione esterna Driver APC LD ATC Modulatore esterno PD

Sistemi di trasmissione TDM - Ricevitore (ITU-T G691) DEMUX, Descrambler, Decodifica di linea, ... OA&M Tributari Estrazione clock Decisione Controllo polarizzazione PD . . . AGC Il fotodiodo deve presentare elevata sensibilità alle lunghezze d'onda di lavoro, rumorosità limitata e velocità di risposta adeguata alla banda richiesta; deve possedere, altresì, buona stabilità con la temperatura e compatibilità con le dimensioni della fibra.

Sistemi di trasmissione TDM - Dimensionamento di tratta Per dimensionare un collegamento in fibra deve essere nota la potenza ottica in trasmissione, la sensibilità del ricevitore (potenza minima in ricezione che garantisce - in assenza di distorsioni del segnale - il valore richiesto del BER, tipicamente 10-12), l’attenuazione chilometrica della fibra, l’attenuazione media di giunti e connettori. In presenza di distorsioni si devono, altresì, considerare adeguate “penalità”. Inoltre, durante la vita dell’impianto, il valore della potenza in ricezione può variare per invecchiamento della sorgente, usura dei connettori, azioni esterne sulla fibra; ciò impone di considerare adeguati margini di funzionamento, tenendo conto della vita utile dell’impianto. L'effettiva lunghezza della tratta dipende anche dall'entità del margine (di sistema) che, a seconda della tipologia di impianto, si deve prevedere.

Sistemi di trasmissione TDM – Dimensionamento di tratta Nell’esempio, un ipotetico collegamento @ 2.5 Gbit/s, l = 1550 nm, PTx=0 dBm, S = -35 dBm (InGaAs – APD) o -26 dBm (PIN), fibra DS (G653), a zero dispersione (S = 0.08 ps/km·nm2), 2 connettori, giunti ogni 2 km. In trasmissione un laser Fabry Perot, sl = 5 nm. 20 40 60 80 100 120 140 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 Potenza ottica (dBm) Lunghezza di tratta (km) margine InGaAs APD PIN L’impiego di APD consente tratte più lunghe, di circa 35 km @ 1550 nm.

Sistemi di trasmissione TDM – Dimensionamento di tratta L’impiego della seconda finestra (1310 nm) riduce le lunghezze di tratta: si mostra un ipotetico collegamento, con le stesse condizioni del caso precedente (a parte le fibre G.652, a zero dispersione, S = 0.09 ps/km·nm2). 20 40 60 80 100 120 140 20 40 60 80 100 120 140 -5 -5 InGaAs APD PIN -10 -10 -15 -15 margine Potenza ottica (dBm) -20 -20 -25 -25 margine -30 -30 -35 -35 -40 -40 Lunghezza di tratta (km) Lunghezza di tratta (km) In terza finestra le tratte sono più lunghe di quelle realizzate in seconda (circa 1.5 volte).

Sistemi TDM – Limitazioni da dispersione cromatica Se non si opera esattamente a zero dispersione (generalmente, S0.085 ps/km·nm2), le limitazioni sulla lunghezza di tratta non sono solo di carattere energetico, ma possono essere prevalenti quelle derivanti dalla dispersione cromatica. Ciò può accadere o perché si opera solo nominalmente a zero dispersione (in questo caso, tipicamente, si pone D 3.3 ps/km·nm), oppure perché si opera lontano dalla condizione di zero dispersione, ad esempio @ 1550 nm con fibre G.652 (col che, tipicamente, D = 17 ps/km · nm). In tal caso, i contributi da interferenza intersimbolica dovuti alla distorsione degli impulsi ricevuti diminuiscono il margine contro il rumore, condizione che costringe a limitare la lunghezza di tratta.

Sistemi TDM – Limitazioni da dispersione cromatica Si deve, in tal caso, distinguere tra sorgenti con spettro di emissione largo (laser a semiconduttore Fabry-Perot, ad esempio, Dl = 4 nm); sorgenti a spettro stretto, “chirpate” (laser DFB modulato direttamente, costante C del chirp = 5, ad esempio Dl = 0.5 nm per fc = 2.5 Gbit/s); sorgenti a spettro stretto non “chirpate” (laser DFB con modulatore esterno, ad esempio, Mach-Zehnder con tecnologia al LiNbO3 : Dl = 2B, B banda elettrica). In tutti i casi, la presenza della distorsione cromatica si traduce in una penalità di potenza, che consente di determinare la riduzione della lunghezza di tratta rispetto al caso ideale, di zero dispersione. L’allargamento temporale per dispersione cromatica è determinabile con la consueta relazione Dt D(l)×L×Dl < TB , essendo TB l’intervallo di bit. Assunzione tipica Dt ≤ 0.1 TB .

Sistemi TDM – Limitazioni da dispersione cromatica Il grafico mostra, a titolo orientativo, le limitazioni delle lunghezze di tratta impiegando fibre convenzionali (G.652) e sorgenti a spettro largo (laser Fabry Perot, ad esempio, Dl = 4 nm) in II e III finestra. 1 2 5 10 20 50 100 500 Lunghezza di tratta (km) fc Gbit/s Zero dispersione D=3.3 ps/km·nm D=17 ps/km·nm Per tratte in fibra SM e sorgenti in III finestra, la dispersione è tanto forte che il limite per dispersione è al di sotto del limite corrispondente all’utilizzo in II finestra. Quindi, l’utilizzo dei laser Fabry-Perot è consigliabile solo in II finestra, per tratte non troppo lunghe; in III finestra e per tratte lunghe è preferibile utilizzare laser DFB.

Sistemi TDM – Limitazioni da dispersione cromatica Si mostrano, sempre a titolo orientativo, le limitazioni delle lunghezze di tratta impiegando fibre convenzionali (G.652) e sorgenti a spettro stretto, affette da chirp (laser DFB, modulati direttamente, ad esempio, Dl = 0.5 nm @ 2.5 Gbit/s) in II e III finestra. Lo spettro di emissione di un laser DFB è molto più stretto di quello di un laser Fabry Perot, ciò che porta a tratte più lunghe a parità di condizioni. Se ciò non è sufficiente, comportando una eccessiva penalità per dispersione cromatica, si deve evitare il chirp del laser, con l’uso di un modulatore esterno. Lunghezza di tratta (km) fc Gbit/s 1 2 5 10 20 50 100 500 D=3.3 ps/km·nm D=17 ps/km·nm D=0.1 ps/km·nm

Sistemi TDM – Limitazioni da dispersione cromatica Si mostrano, sempre a titolo orientativo, le limitazioni delle lunghezze di tratta impiegando fibre convenzionali (G.652) e sorgenti a spettro stretto, non affette da chirp (laser DFB, modulati esternamente, col che la banda in modulazione è poco più del bit rate) in II e III finestra. 1 2 5 10 20 50 100 500 1000 Lunghezza di tratta (km) fc Gbit/s D=3.3 ps/km·nm @ 1310 nm D=17 ps/km·nm @ 1550 nm D=0.1 ps/km·nm Lo spettro di un laser DFB modulato esternamente è più stretto di quello di un laser modulato direttamente, ciò che porta a tratte più lunghe a parità di condizioni. Se ciò non è ancora sufficiente, comportando una eccessiva penalità, si deve compensare la dispersione cromatica.

Sistemi TDM – Compensazione della dispersione cromatica I sistemi ad elevato bit-rate hanno come limite primario la dispersione cromatica. Utilizzando fibre monomodali SM @ 1550 nm, ove D17 ps/kmnm, già i sistemi @ 10 Gbit/s sono limitati a tratte di circa 60 km, anche con l’impiego di laser DFB e modulazione esterna; per tali sistemi la compensazione della distorsione dovuta alla dispersione cromatica è essenziale. La compensazione è imperativa nel caso dei sistemi @ 40 Gbit/s. Le tecniche di compensazione sono basate, tipicamente, su fibre compensatrici di dispersione, oppure, sull’impiego di reticoli in fibra a passo variabile.

Sistemi TDM – Fibre compensatrici della dispersione cromatica Le fibre compensatrici (DCF, Dispersion Compensating Fibre) costituiscono il metodo principale per la compensazione della dispersione cromatica; i metodi alternativi (in particolare, quelli basati su grating di Bragg) hanno sinora trovato impiego solo in applicazioni particolari. Le fibre compensatrici hanno il coefficiente D negativo in III finestra, ovvero una dispersione negativa, per compensare la dispersione positiva della fibre monomodali standard, ancora in III finestra. La dispersione negativa è ottenibile con una condizione di debole “guidaggio” del modo fondamentale: in pratica, una consistente frazione di tale modo è contenuta nel cladding, ove, il minor valore dell’indice di rifrazione, consente di incrementare la velocità di propagazione, all’aumentare della lunghezza d’onda. Ciò, però, aumenta i valori di attenuazione e rende tali fibre particolarmente sensibili alle curvature.

Sistemi TDM – Fibre compensatrici della dispersione cromatica I parametri più importanti delle fibre compensatrici sono: il coefficiente di dispersione, più grande possibile (sono raggiungibili valori di circa -100 ps/km·nm); l’attenuazione, più bassa possibile poiché la DCF si aggiunge alla linea (sono raggiungibili valori di 0.35 dB/km); il coefficiente PMD, non compensabile, che si aggiunge a quella della linea (in generale, il valore di PMD è ragionevolmente basso). Le fibre compensatrici sono caratterizzate da un fattore di merito, rapporto tra coefficiente di dispersione e attenuazione: più alto è tale fattore, migliori sono le caratteristiche della DCF (tale fattore di merito varia normalmente tra 50 e 250).

Sistemi TDM – Fibre compensatrici della dispersione cromatica Il successo delle fibre compensatrici è dovuto a molti fattori: intrinseca semplicità, bande ottiche estese, eccellente stabilità in temperatura, elevata affidabilità, notevole maturità raggiunta da tale tecnologia, le cui prestazioni sono andate via via crescendo, in risposta alla crescenti necessità imposte dei sistemi trasmissivi. In particolare, é andata decrescendo l’attenuazione di tali fibre, incrementandone la figura di merito e diminuendone le perdite di giunzione. La DCF può essere inserita all’inizio, alla fine, o lungo il collegamento. Per la compensazione, a tutte le l Df (l) Lf + DDCF(l)LDCF = 0 Lf G.652 LDCF DCF Lf /2 G.652 LDCF DCF Lf /2 G.652 LDCF DCF Lf G.652

Sistemi TDM – Limitazioni da dispersione di polarizzazione Il ritardo di gruppo differenziale (Differential Group Delay - DGD) tra le componenti ortogonali dello stato di polarizzazione in una fibra di tipo convenzionale é una variabile aleatoria, caratterizzata da una distribuzione di Maxwell (Dt è il valor medio della variabile aleatoria ) Nel tempo, il sistema assume diversi valori del parametro DGD, Dτ, rispetto al valor medio di tale parametro, dato dal valore della PMD (Polarization Mode Dispersion) del collegamento. 1 P(Dt> Dtx) 10-2 10-4 10-6 10-8 Dt 2Dt 3Dt Dtx p(Dt) Dt 2Dt 3Dt Dt Le variazioni del DGD dipendono dalle fluttuazioni dello stato di polarizzazione del campo ottico nella fibra, determinate da stress e/o fluttuazioni termiche nei vari punti della fibra stessa, le quali risultano pertanto relativamente lente.

Sistemi TDM – Limitazioni da dispersione di polarizzazione Di regola, si considera la penalità di 1 dB, nel caso peggiore; essa corrisponde ad un valore del DGD di 0.3 volte il periodo di bit, ipotizzando che le due componenti ortogonali in cui degenera il modo fondamentale siano equamente eccitate, cioè associate alla stessa potenza. La probabilità che il valore di DGD sia 0.3 volte il tempo di bit (penalità massima 1 dB) è, in teoria, 410–5 . In pratica, però, tale probabilità é minore, poiché é improbabile che, cambiando i valori della dispersione di polarizzazione nel collegamento (stress o temperatura), la potenza si distribuisca sempre equamente tra le due componenti ortogonali in cui degenera il modo fondamentale. 0.3 0.1 0.2 0.5 1 Penalità per PMD [dB] DGD (frazione del tempo di bit) 0.1-0.2 Ricevitore basato su APD o preamplificatore ottico Ricevitore basato su PIN

Sistemi TDM – Limitazioni da dispersione di polarizzazione Quindi, il limite per la velocità di cifra B è dato da B Gibt/s L km 10 100 1000 10000 0.1 1 1 ps/km 0.5 ps/km 0.1 ps/km Tipicamente, CPMD 0.1-0.2 ps/km per le fibre G.652, e  0.4-0.7 ps/km per le fibre G.653 (più sensibili a tale problema). Assumendo, per i cavi attuali, il valore limite di 0.5 ps/km (per le fibre moderne possibili valori dell’ordine di 0.1 ps/km, per le fibre più vecchie circa 2 ps/km), 1 dB di penalità si ha @ 10 Gbit/s su 400 km; la PMD, difficile da compensare e sottovaluta sino a metà degli anni ’90, é il limite critico sul 20-30% delle fibre mondiali @10 Gbit/s, e sull’80% @ 40 Gbit/s.

Sistemi TDM – Limitazioni da effetti non lineari Gli effetti non lineari in fibra sono attualmente assai importanti, specialmente in relazione all’adozione dei sistemi WDM e dell’amplificazione ottica (EDFA, SOA e Amplificatore Raman), e del sempre più elevato bit-rate dei canali numerici (10-40 Gbit/s) . Alcune conseguenze di tali non linearità sono positive, come la possibilità di compensare la dispersione cromatica (effetto lineare) mediante SPM dovuto all’effetto Kerr, oppure l’amplificazione ottica distribuita per effetto Raman. Altre conseguenze sono, invece, negative, come l’attenuazione non lineare, la deformazione dello spettro ottico (effetti di intermodulazione), l’incremento di disturbi, di varia origine, sui sistemi trasmissivi.

Sistemi TDM – Limitazioni da effetti non lineari Gli effetti non lineari in fibra sono suddivisi in due categorie: effetti di tipo Kerr e effetti dovuti a scatter stimolato. Gli effetti di tipo Kerr sono causati dalla non linearità dell’indice di rifrazione della fibra in funzione del campo ottico; l’indice di rifrazione risulta infatti proporzionale alla potenza (P = |E|2·Aeff/Zk, essendo Zk l’impedenza caratteristica del mezzo), ottenendo, così essendo n0 l’indice di rifrazione del core a bassi livelli di potenza, n2 il coefficiente di non linearità dell’indice di rifrazione ( 2.2 - 3.4 10-20 m2/W per la silice drogata), P la potenza ottica in fibra (W), Aeff l’area efficace del core, m2 . L’effetto Kerr dà origine a tre fenomeni di non linearità: Self Phase Modulation (SPM), Cross Phase Modulation (XPM), Four Wave Mixing (FWM).

Sistemi TDM – Limitazioni da effetti non lineari - SPM Il Self Phase Modulation interagisce con la dispersione cromatica della fibra, allargando oppure restringendo gli impulsi ottici durante la propagazione in fibra. La variazione della velocità di gruppo del segnale in funzione della lunghezza d’onda si traduce in allargamenti temporali dell’impulso, di segno concorde o discorde, rispettivamente, con quelli causati dalla dispersione cromatica. Se il segno è concorde (D<0) si possono avere gravi distorsioni del segnale, se il segno è discorde (D>0) si possono ottenere miglioramenti sulla distorsione rispetto alla sola dispersione cromatica. In caso di segno discorde, l’SPM può essere impiegato per compensare, almeno in parte, la dispersione cromatica.

Sistemi TDM – Limitazioni da effetti non lineari - SPM E’ evidente il meccanismo di restringimento o allargamento temporale dell’impulso, qui mostrato nel caso impulsi gaussiani, in cui interagiscono la potenza di picco del segnale ottico, il segno della dispersione cromatica D e la distanza. E’ evidente, sempre nell’ipotesi di impulsi gaussiani, come si possa compensare l’allargamento temporale dovuto alla dispersione cromatica , per una data distanza, con determinati valori dei parametri. b2 = -20 ps2/km, T0 = 0.1 ns s/s0 P0 = 10, 50, 250 mW 10 20 30 40 50 0.5 1 1.5 2 km b2 = 20 ps2/km, T0 = 0.1 ns s/s0 10 20 30 40 50 0.5 1 1.5 2 P0 = 10, 50, 250 mW g = 2W-1 km-1

Sistemi TDM – Limitazioni da effetti non lineari – SBS e SRS L’altra classe di effetti non lineari è dovuta allo scattering anelastico stimolato, fenomeno per cui i fotoni trasferiscono parte della loro energia al mezzo per il tramite di fononi. Si hanno due fenomeni importanti, entrambi correlati ai modi vibrazionali della silice, lo scattering di Brillouin stimolato (SBS) e lo scattering di Raman stimolato (SRS). La fondamentale differenza tra di essi è che nel caso dello scattering di Brillouin i fotoni interagiscono con fononi acustici, mentre nello scattering di Raman i fotoni interagiscono con fononi ottici. Da un punto di vista quantistico, un fotone incidente è annichilito, generando un fotone ad una frequenza minore (Stokes) e un fonone, conservando sia l’energia che il momento in tale interazione.

Sistemi TDM – Limitazioni da effetti non lineari - SBS Nel caso di sistemi TDM, singolo canale ottico, il fenomeno di scattering nonlineare che deve essere controllato è l’effetto Brillouin. Lo scattering Brillouin stimolato si origina quando la luce interagisce con fononi acustici (vibrazioni del materiale), subendo un effetto di diffusione anelastica (scattering). La luce diffusa si propaga principalmente in direzione opposta al fascio principale; inoltre, essa incrementa la sua potenza a spese di quella originaria (guadagno), che perde progressivamente potenza. Lo shift di frequenza del segnale diffuso è di circa 11 GHz (0.09 nm), in una banda assai piccola (DfB circa 20 MHz a 1550 nm).

Sistemi TDM – Limitazioni da effetti non lineari - SBS E’consuetudine definire potenza ottica di soglia quella potenza ottica oltre la quale la potenza retrodiffusa eguaglia quella che si propaga in avanti nella fibra: ove Aeff è l’area efficace del fibra, b è un coefficiente di polarizzazione, tra 1 e 2 dipendente dalla polarizzazione relativa dei due fasci ottici, gB è il guadagno del fenomeno, circa 4 .10 -11 m/W (indipendente da l), Df0 e DfB le bande del segnale ottico originario e di quello scatterato. Ne conseguono, per le fibre usuali, modesti valori della potenza di soglia, dell’ordine dei mW, almeno con laser a riga molto stretta. Inoltre, si ha rumore di ampiezza, dovuto alla perdita di potenza del segnale utile.

Sistemi TDM - Limitazioni da effetti non lineari - SBS -30 -20 -10 -40 -50 10 -15 -5 5 15 Potenza iniettata dBm Potenza trasmessa o riflessa (dBm) trasmessa riflessa Fibra dispersion shifted, 50 km, l = 1550 nm 10 -10 -20 -30 -40 -50 -15 -5 5 15 Potenza trasmessa o riflessa (dBm) trasmessa riflessa 10 Fibra standard, reduced core, 50 km, l = 1550 nm -30 -40 -50

Sistemi TDM - limitazioni da effetti non lineari - SBS Per evitare gli effetti dello scattering di Brillouin stimolato, si deve: incrementare la larghezza spettrale del segnale ottico, condizione che però può rendere intollerabile gli effetti della dispersione cromatica; in pratica, si fa variare “lentamente”, tramite modulazione a bassa frequenza, la frequenza del laser (dithering); questo procedimento è efficace in quanto, come già osservato, lo scattering di Brillouin stimolato è un processo a banda stretta; la frequenza modulante deve essere molto più bassa della frequenza di cut-off inferiore del ricevitore, il quale, così, ignora tale modulazione; la frequenza di modulazione risulta al massimo dell’ordine di qualche kHz, per ottenere uno spostamento di frequenza della sorgente laser fino a parecchie centinaia di MHz .

Sistemi di trasmissione TDM – L’evoluzione I sistemi TDM operativi hanno avuto un rapido sviluppo, sin dalle prime realizzazioni nel 1976 (34 Mbit/s, 10 km di fibra). Il bit-rate è aumentato velocemente, in risposta alla domanda di capacità delle reti di trasporto. Al riguardo, nel 2000 sono stati effettuati i primi esperimenti in campo @ 40 Gbit/s, con componenti reali di rete; la dispersione di polarizzazione (accanto alla più tradizionale dispersione cromatica) potrebbe, tuttavia, rappresentare un notevole ostacolo alla diffusione di tale tecnologia. Le lunghezze di tratta operative degli attuali sistemi TDM (senza amplificatori o rigeneratori intermedi) possono essere di alcune centinaia di Gbit/s .km. Con amplificatori intermedi si arriva alle decine di Terabit/s .km.

Sistemi WDM (Wavelength Division Multiplexing) La trasmissione di più canali ottici, a diverse lunghezze d’onda, sulla stessa fibra, consente di sfruttare in maniera efficiente l’immensa banda disponibile sulle fibre (circa 14 THz in III finestra). Ogni canale è associato ad un diverso flusso informativo che modula, indipendentemente, un proprio laser, con una particolare lunghezza d’onda; il bit-rate per canale, a livello operativo, è di norma @10 Gbit/s, ma sono ormai assai diffusi sistemi multicanale @ 40 Gbit/s. Tutti questi segnali sono poi multiplati otticamente e trasmessi sulla stessa fibra. Se le diverse lunghezze d’onda sono convenientemente separate tra loro (attualmente, a passi di 100 GHz, riducibili in futuro a 50 (25) GHz), i canali sono separabili in ricezione, mediante opportuni filtri ottici, e rivelati in modo indipendente.

Sistemi WDM (Wavelength Division Multiplexing) L’aumento della capacità dei sistemi WDM è stato ottenuto anche tenendo conto della elevata larghezza di banda resa disponibile dagli amplificatori ottici. I primi sistemi erano basati su amplificatori in fibra attiva ad Erbio (EDFA), operanti in banda C, tra 1545 e 1565 nm; tale banda é stata poi estesa sino a 1530 nm. Successivamente, si è resa disponibile la banda L, tra 1565 e 1625 nm, per il cui impiego gli amplificatori hanno caratteristiche diverse da quelli operanti in banda C. Impiegando tali bande si è raggiunta, in pratica, una capacità “aggregata” di circa 10 Tbit/s. In un prossimo futuro si pensa di utilizzare anche la cosiddetta banda S, a lunghezze d’onda minori di quelle della banda C (1460÷1530 nm), impiegando amplificatori ottici di adatte caratteristiche.

• • • • • • Sistemi WDM (Wavelength Division Multiplexing) L’impiego dei sistemi WDM è basato su una griglia di riferimento, allocata nella banda C, stabilita a livello internazionale (“griglia ITU”), delle lunghezze d’onda/frequenze, utilizzabili dalle sorgenti laser. La griglia di riferimento è equispaziata in frequenza/lunghezza d’onda, con una spaziatura di 100 GHz (0.8 nm), e lunghezza d’onda centrale 1552.52 nm; è previsto che la spaziatura minima, mantenendo la griglia di riferimento mostrata, si riduca a 50 (25) GHz (Sistemi DWDM - Dense WDM). 198.5 THz 1510 nm 196.1 THz 1528.77 nm 193.2 THz 1551.72 nm 193.1 THz 1552.52 nm 193 THz 1553.33 nm 192.1 THz 1560.61 nm Canale di supervisione 100 GHz 100 GHz • • • • • • Frequenza/lunghezze d’onda delle sorgenti WDM

Sistemi WDM – Trasmissione Dati in forma elettrica di n sistemi diversi (terminali SDH, PDH,..) TX (E/O) @ l1 Trasduzione elettrico/ottica (n trasmettitori) Amplificatore ottico (booster) Fibra ottica TX (E/O) @ l2 TX (E/O) @ l3 TX (E/O) @ ln ••• Struttura, schematica e di principio, di un trasmettitore per sistemi WDM MUX (accoppiatore selettivo o passivo)

Sistemi WDM – Trasmissione I trasmettitori (normativa ITU-T G.692) possono essere a “trasposizione della lunghezza d’onda” o “colorati”. Le “criticità” riguardano le sorgenti a lunghezza d’onda selezionabili, gli amplificatori ottici, i rigeneratori “3R”. Terminali (SDH, PDH, …), con interfacce ottiche trasposizione di lunghezza d’onda terminali “colorati” Tx - l1 Rx Tx - l2 Tx - ln TL1 Tx TL2 TLn MUX

Sistemi WDM - Ricevitore Struttura, schematica e di principio, di un ricevitore per sistemi WDM RX (O/E) Pre-amplificatore ottico Fibra ottica ••• Trasduzione ottico-elettrica (n fotodiodi) l1 l2 l3 ln Demultiplexer o splitter e filtri ottici Dati in forma elettrica (bit) di n sistemi diversi

WDM - Sorgenti a lunghezza d’onda selezionabili I sistemi WDM hanno una diversa sorgente laser per ciascuna lunghezza d’onda attiva del sistema; questo pone, tra l’altro, notevoli criticità per le scorte dei componenti, configurandosi tale aspetto come un importante “costo nascosto” dei sistemi WDM. La risposta al problema sono la sorgenti laser sintonizzabili previste per la nuova generazione di reti ottiche. I laser sintonizzabili “a banda stretta” hanno, generalmente, un tuning range meno esteso dell’intera banda C.

WDM - Sorgenti a lunghezza d’onda selezionabili - Laser DFB I laser DFB sintonizzabili sono basati sulla stessa tecnologia degli analoghi componenti a lunghezza d’onda fissa; sono componenti affidabili, abbastanza semplici da realizzare, con prestazioni analoghe ai componenti a l fissa, compresa la potenza massima (circa 20 mW). I laser DFB selezionano la lunghezza d’onda tramite una struttura a reticolo (grating) nella regione attiva: lo spettro di emissione è monomodale, adatto ai sistemi WDM, con valori precisi della lunghezza d’onda di lavoro. La stabilizzazione della lunghezza d’onda è, però, di ostacolo al tuning di questa: un modo efficace di variare la lunghezza d’onda è riscaldare/raffreddare il laser (controllo termico mediante celle Peltier). In un tipico laser DFB, la variazione è dell’ordine di 0.08 nm/°C, ovvero 10°C per ogni canale a spaziatura ITU di 0.8 nm e, se si vuole limitare l’escursione termica a qualche decina di gradi, per ragioni di affidabilità del dispositivo, il tuning è limitato a 3-4 nm (4-6 canali).

WDM - Sorgenti a lunghezza d’onda selezionabili - Array di DFB L’intervallo di tuning può essere ampliato mediate un array di laser DFB, integrati su un singolo chip; le versioni commerciali impiegano strutture parallele di laser, uno solo dei quali è attivo in ogni istante, coprendo una parte della sintonia totale del dispositivo. Un dispositivo tipico può contenere fino a 8 laser affiancati, un combinatore ed, eventualmente, un amplificatore ottico per compensare le perdite nell’accoppiatore; la capacità di tuning è così incrementata di 8 volte rispetto a quella del singolo dispositivo (ad esempio, per un totale di 20 nm di tuning, per 40 canali spaziati di 50 GHz). Le prestazioni di tali dispositivi sono eccellenti, in particolare riguardo la potenza di uscita e la stabilità della lunghezza d’onda; più critici gli aspetti di produzione, in particolare per quanto concerne la resa, a causa della complessità del chip.

WDM - Sorgenti a lunghezza d’onda selezionabili - Array di DFB

WDM - Sorgenti a lunghezza d’onda selezionabili – Laser DBR I laser DBR sono più complessi dei DFB; la regione di guadagno e quella del grating sono spazialmente separate, così da poter aggiustarne, indipendentemente, le proprietà. Tipicamente, vi sono tre sezioni, un grating, una regione di guadagno ed una “regione di fase”; nella regione di fase può essere iniettata una corrente per variarne l’indice di rifrazione (senza variare l’indice di rifrazione della altre sezione, in special modo del grating), col che cambia la lunghezza della cavità e quindi la lunghezza d’onda del laser. I DBR richiedono quindi un controllo più complesso dei laser DFB, (tre/quattro correnti di controllo), con elaborazioni che richiedono un microprocessore, che ha immagazzinato i dati di calibrazione iniziale del dispositivo, e un dispositivo di stabilizzazione della lunghezza d’onda. I tempi di tuning basato su controllo elettrico sono più rapidi di quello termico (qualche ms contro alcuni secondi), l’intervallo di tuning (molto) maggiore, sino a 35 nm, coprendo sostanzialmente l’intera banda ottica C.

WDM - Sorgenti a lunghezza d’onda selezionabili - Laser DBR Laser SG (Sample Grating) - MQW - DBR - Multistruttura amplificazione+modulazione ampiezza+sintonizzazione ( 40 nm@1550 nm)

WDM - Sorgenti a lunghezza d’onda selezionabili – ECL I laser a semiconduttore a cavità esterna (ECL - External Cavity Laser ) hanno una regione attiva che fornisce il guadagno e una struttura separata (grating e/o specchi), per realizzare la cavità risonante esterna. Sono componenti ingombranti per essere impiegati in sistemi WDM, sebbene i costruttori ne abbiano realizzato versioni più compatte, impiegando MEMS (Micro-Electromechanical Systems). Sebbene la presenza di parti mobili (i MEMS, ad esempio) possa dare qualche problema riguardo l’affidabilità di tali componenti, essi possono fornire potenze elevate (20 mW - 40 mW) entro una banda di sintonizzazione estremamente ampia, fino a 100 nm .

WDM - Sorgenti a lunghezza d’onda selezionabili - ECL

Sistemi WDM - Fibre compensatrici della dispersione cromatica Nelle prime applicazioni, per compensare sistemi con pochi canali @10 Gbit/s su alcune centinaia di km, la compensazione della dispersione veniva effettuata, in pratica, ad una sola lunghezza d’onda; con gli attuali sistemi DWDM a banda larga, si è dovuta effettuare la compensazione su un ampio intervallo di lunghezze d’onda. Inoltre, le specifiche di compensazione sono andate gradualmente aumentando, in considerazione dei sistemi @ 40 Gbit/s e per la compensazione di sistemi “ultra lunghi”, fino ad alcune migliaia di km. In particolare, le fibre DCF devono compensare sia la dispersione - D - sia la pendenza della dispersione (Dispersion Slope) - S - : si adatta il valore della pendenza relativa della dispersione a quella della fibra da compensare (parametro RDS, Relative Dispersion Slope = S/D). Al riguardo, sono ormai disponibili fibre compensatrici con valori del parametro RDS che si adattano a tutte le fibre di comune impiego.

Sistemi WDM – Fibre compensatrici della dispersione cromatica Un ulteriore problema è rappresentato dalla compensazione della curvatura della dispersione - C - , data da Per tale finalità, si deve considerare un ulteriore parametro, la dispersione di curvatura relativa (RDC - Relative Dispersion Curvature, C/D ). Infine, le fibre DCF costituiscono una interessante base per realizzare amplificatori Raman distribuiti, in ragione dell’eccellente efficienza dello scattering Raman stimolato ottenibile in tali fibre. E’ così possibile compensare, contemporaneamente, la dispersione cromatica e l’attenuazione indotta dalle fibre compensatrici.

Sistemi WDM – Amplificatori ottici Il ruolo consolidato degli amplificatori ottici è quello di consentire la trasmissione a lunga distanza, evitando le conversioni elettro-ottiche. Ruoli emergenti sono la compensazione delle attenuazioni nelle reti ottiche metropolitane (MAN) e l’equalizzazione della potenza di canale nelle reti riconfigurabili (ad esempio, nei nodi add - drop). La tecnologia consolidata è quella degli amplificatori in fibra drogata all’erbio (EDFA), in banda C (1530 - 1565 nm), caratterizzati da elevato guadagno di “piccolo segnale” , basso rumore ottico, efficienza ed affidabilità elevate. Tecnologie emergenti: amplificatori EDFA nella banda L, amplificatori Raman,, amplificatori a semiconduttore (SOA, Semiconductor Optical Amplifier), amplificatori in fibra drogata con altre terre rare per altre bande ottiche, ad esempio, il Tulio per la banda S (1460 - 1530 nm).

Sistemi WDM - Amplificatori ottici L’EDFA è il tipo di amplificatore più diffuso, sia in banda C (1530 - 1565 nm), che in banda L (1565 - 1625 nm). Gli amplificatori Raman permettono di ottenere amplificazione distribuita e possono incrementare le prestazioni degli amplificatori attuali (amplificazione ibrida); utilizzano qualsiasi tipo di fibra e sono adatti per qualsiasi banda, C, L e S. I SOA sono dispositivi a semiconduttore, compatti e potenzialmente impiegabili a tutte le lunghezza d’onda (variando la composizione del materiale - InGaAsP). Gli amplificatori al Tulio ed al Praseodimio sono adatti per bande meno convenzionali (banda S e banda O).

Sistemi WDM - Amplificatori ottici EDFA La potenza della pompa (laser a semiconduttore @ 1480 o 980 nm) è assorbita dagli atomi di erbio nella fibra drogata. Il segnale ottico di ingresso stimola gli atomi di erbio ad emettere un segnale ottico “coerente” con quello di ingresso, con guadagno: banda di guadagno 1525-1570 nm (C&L), picco @ 1532 nm. Effetti collaterali negativi sono dovuti all’emissione spontanea da parte degli atomi di erbio, associata al rumore ottico (ASE). La pompa @ 980 nm produce una buona inversione di popolazione (associata all’emissione non radiativa-rilassamento, dallo stato energetico a 980 nm a quello a 1500 - 1620 nm), con basso rumore; la pompa @1480 è più efficiente energeticamente, ma causa più rumore ottico. Laser di pompa ≤ 100 mW segnale Fibra drogata Isolatore ottico Accoppiatore WDM

Sistemi WDM - Amplificatori ottici EDFA Nella banda L, il coefficiente di guadagno è minore di quello nella banda C: è necessaria, quindi, una maggiore lunghezza della fibra attiva (ad esempio, 150 m). I benefici sono l’espansione della banda totale (ad esempio, fino a 80 nm), consentendo la trasmissione di un maggior numero di canali, nonché la possibilità di impiegare le fibre dispersion shifted senza la penalità dovuta al FWM. Le criticità sono associate sia alla maggiore lunghezza della fibra attiva, con possibili problemi di dispersione cromatica, sia alla possibilità di passaggio di potenza da segnali presenti nella banda C a quelli in banda L per Scattering Raman Stimolato. Oltre all’Erbio, si possono impiegare altri droganti, che emettono luce a differenti lunghezze d’onda. Inoltre, tipi di matrice vetrosa diversi dalla tradizionale silice (ad esempio, fluoruri) influenzano la posizione e l’efficienza della bande ottiche ottenibili con i vari droganti.

Sistemi WDM - Limitazioni da effetti non lineari - SRS Lo scattering di Raman stimolato consiste nell’interazione tra un fascio luminoso e i modi vibrazionali delle molecole della silice (fononi ottici). Se un fotone di energia hn interagisce con una molecola che ha una frequenza di vibrazione fm , la molecola può assorbire una parte dell’energia del fotone, che è scatterato ad una frequenza minore ns . Il processo produce luce ad una lunghezza d’onda maggiore di quella del segnale originario (1015 THz - circa 100 nm). Il fenomeno può avere conseguenze negative o positive, a seconda delle situazioni in cui si manifesta.

Sistemi WDM - Limitazioni da effetti non lineari - SRS Conseguenze negative si hanno se il fenomeno trasferisce potenza da un canale ottico presente nella fibra ad una altro canale ottico, anch’esso presente in fibra, ove la differenza di lunghezza d’onda sia opportuna (nell’intorno, come già detto, di 100 nm). In tal caso, il canale a lunghezza d’onda maggiore è amplificato a spese del canale a lunghezza d’onda minore, che perde progressivamente potenza; tale amplificazione è purtroppo associata a disturbo di intermodulazione intercanale se, come è usuale, i canali sono modulati (il fenomeno è critico nei sistemi WDM, ove si manifesta un trasferimento di potenza dai canali a l minori ai canali a l maggiori). Lo scattering di Raman è invece positivo quando impiegato per trasferire potenza da un fascio ottico di “pompa” ai canali utili che si propagano nella stessa fibra; in tal modo si realizza un’amplificazione ottica efficace, sia in relazione alla larghezza di banda elevata del fenomeno (circa 10 THz, ambedue le bande C e L, ad esempio), sia per la possibilità di realizzare amplificazione distribuita.

Sistemi WDM – Limitazioni da effetti non lineari - SRS Lo scattering di Raman stimolato è un processo a larga banda, indipendente dalla larghezza di riga della sorgente e dalla modulazione, che può avvenire in entrambe le direzioni, co-propagante e/o contro-propagante. Il trasferimento di potenza verso lunghezze d’onda maggiori può avvenire in un ampio intervallo di lunghezze d’onda, come mostrato nella figura seguente, relativa al coefficiente di guadagno del fenomeno. 150 nm Shift di frequenza (THz) 5 10 15 20 2 4 6 8 Guadagno Raman (10-12 cm/W) l Potenze di ingresso e uscita in un sistema WDM con scattering Raman stimolato

Sistemi WDM - Limitazioni da effetti non lineari - SRS Anche nel caso di scattering di Raman si definisce una potenza ottica di soglia Pth Aeff è l’area efficace del fibra, gR è il guadagno del fenomeno ( 10 -13 m/W , contro il guadagno Brillouin di circa 4 .10 -11 m/W, con potenze di soglia dell’ordine delle centinaia di mW, contro quelle dei mW dello scattering di Brillouin): lo scattering di Raman non è, quindi, limitante per sistemi a singolo canale, per la sua alta soglia ( 500 mW @ 1550 nm), mentre deve essere controllato nel caso di sistemi WDM (potenza x canale e numero complessivo di canali).

Sistemi WDM - Amplificatori ottici Raman L’effetto Raman sposta la l di un segnale ottico a valori maggiori (lo shift è di 13 THz, corrispondenti, @1550 nm, a 100 nm). Si ha amplificazione distribuita di un segnale spostato in lunghezza d’onda del suddetto shift, che si propaga nello stesso materiale ove è presente la pompa ottica. Non è richiesto drogaggio poiché la fibra stessa è sede di amplificazione. Bassa cifra di rumore dovuta al basso valore di ASE.

Sistemi WDM - Amplificatori ottici Raman Tra le più significative proprietà dell’amplificazione Raman: - è, intrinsecamente, un effetto “debole”, che richiede elevate lunghezze di fibra (ad esempio, >10 km) e alte potenze di pompa (20-30 dBm); - amplifica, se la lunghezza d’onda della pompa è opportuna, qualunque lunghezza d’onda del segnale ottico; - tratte di amplificazione con minori dislivelli di intensità rispetto all’uso di EDFA, con minori problemi da non linearità e maggiore SNR; - poiché la curva di guadagno trasla con la lunghezza d’onda della pompa, possono essere sfruttate nuove bande ottiche; - le intensità delle pompe possono essere messe a punto in modo tale da ottimizzare la risposta dell’amplificatore (guadagno costante su un intervallo spettrale ampio).

Sistemi WDM - Amplificatori ottici Raman Possono essere aggiunti agli amplificatori EDFA (amplificazione ibrida) per realizzare tratte molto lunghe, a bit-rate sino a 40 Gbit/s.

Sistemi WDM - Four Wave Mixing Un fenomeno non lineare di notevole importanza nei sistemi WDM, determinato dall’effetto Kerr, è il Four-Wave Mixing (FWM), che si verifica quando in fibra ottica si propagano due o più segnali di frequenze (lunghezze d’onda) differenti. Se le potenze sono sufficientemente elevate (compatibili con quelle presenti nei sistemi WDM), la fibra diventa un mezzo non lineare; più onde che si propagano contemporaneamente interagiscono, scambiandosi energia e generando prodotti di intermodulazione a particolari combinazioni di frequenze (ad esempio, se f1, f2 e f3 sono le frequenze di tre canali, il prodotto di intermodulazione è, tipicamente, a frequenza f4 = f1 + f2 - f3 oppure f4 = 2f1 - f3 ). L'efficienza di FWM dipende fortemente dalla dispersione cromatica della fibra, dalla spaziatura in frequenza dei segnali e dalla loro intensità: più bassa è la dispersione, più alta è l’intensità e più vicini in frequenza sono i canali, tanto più elevata è l'efficienza di generazione dei prodotti di FWM.

Sistemi WDM - Four Wave Mixing Una situazione particolarmente critica, al riguardo, si verifica nelle fibre dispersion shifted, DS (ITU G.653), utilizzate in prossimità della lunghezza d’onda di dispersione nulla, per ridurre gli effetti della dispersione cromatica nel caso di singolo canale. Su tali fibre é rischioso realizzare sistemi WDM, soprattutto se le portanti sono equispaziate in frequenza: infatti, i prodotti di intermodulazione, che si generano con notevole efficienza, a causa della bassa dispersione cromatica (e dei notevoli livelli di potenza dovuti all’impiego degli amplificatori ottici), cadono esattamente sui canali utili e possono produrre notevoli livelli di disturbo. Potenze trasmesse dell’ordine del mW per canale possono essere sufficienti a causare disturbi importanti. In pratica, le fluttuazioni della dispersione, presenti nelle linee reali, ove sono giuntate fibre con caratteristiche dispersive leggermente differenti, tendono a ridurre l’efficienza di generazione dei prodotti di FWM.

Sistemi WDM – Four Wave Mixing Per evitare gli effetti del FWM, la soluzione ideale consiste nell’impiego della fibra G.655 ‘Non Zero Dispersion’ (NZDF), nelle sue diverse versioni, caratterizzate da valori limitati e controllati della dispersione cromatica in III finestra. Possibile, comunque, è anche l’impiego della fibra G.653, sia in banda L, sia nella più tradizionale banda C, a patto di impiegare particolari schemi di allocazione dei canali WDM ed opportune tecniche di compensazione “a larga banda” della dispersione cromatica “in eccesso” . Infatti, i prodotti di intermodulazione dovuti al FWM sono dannosi solo se cadono nella banda del ricevitore.

Sistemi di trasmissione WDM - Fibre NZDSF TrueWaveRS Lucent Reduced Slope TeraLight Alcatel LEAF Corning PureGuide Sumitomo FreeLight Pirelli Att. @ 1.55 mm (dB/km)  0.21  0.25  0.25  0.22  0.23 Area efficace Aeff @ 1.55 (mm)2 65 72 55 65 72 Mode Field Diameter (mm) 9.2 ± 0.5 9.2 - 10 8.4 ± 0.6 8.7 – 9.7 9.2 - 10 1530 – 1625 Non zero dispersione nm 1450 - 1625 1530 – 1625 1530 – 1625 1450 - 1625 Dispersion Slope @ 1.55 mm (ps/nm2·km) 0.058 0.083  0.05 tipico 0.06 0.086 Dispersion Slope/Dispersion @1.55mm (nm) -1 tipico 0.02 tipico 0.007 tipico 0.023 tipico 0.011 tipico 0.008 PMD ps/km 0.2 0.08 0.1 0.2 Le caratteristiche fondamentali di tali fibre sono: bassa attenuazione, possibilità di operare a larga banda (bande C, L e S), basse non linearità, modesti valori di “Dispersion Slope”.

Sistemi WDM - Limitazioni da effetti non lineari - XPM Il Cross Phase Modulation (XPM) è simile al Self Phase Modulation (e coesistente con esso), a parte il fatto che coinvolge più impulsi ottici propaganti a diverse lunghezze d’onda, e non un singolo canale ottico. In questo fenomeno, i vari impulsi ottici, a causa della loro potenza, determinano congiuntamente variazioni dell’indice di rifrazione in maniera non lineare. Ciò produce una modulazione di fase sui singoli impulsi ottici, dovuta alla potenza degli altri impulsi, modulazione di fase che la dispersione della fibra trasforma in modulazione di ampiezza (distorsione PM/AM) e, quindi, in rumore intercanale tra i vari segnali WDM. L’effetto è complesso: in generale, il rumore diminuisce all’aumentare della spaziatura tra i canali ottici e in presenza di compensazione della dispersione cromatica. Diversamente dal Self Phase Modulation, l’entità della dispersione cromatica ha scarsa influenza sugli effetti di questo fenomeno.

Sistemi WDM - Evoluzione I punti essenziali dell’evoluzione tecnologica dei sistemi ottici WDM possono essere riassunti nei seguenti: capacità totale per fibra >10 Tbit/s; numero di lunghezze d’onda >500; bit-rate @ 10 - 40 Gbit/s (tecniche elettroniche); ampiezza utile di banda ottica da 120 a 250 nm; Tra gli aspetti tecnologici qualificanti, il pacchetto ottico, la rigenerazione ottica 3R, le tecniche di modulazione multilivello (QPSK, QAM), la commutazione ottica, i cristalli fotonici.

Sistemi WDM e Optical Networking - OADM l11, l12, ……l1N lX1, l12, ..lX5.. l1N l21, lY2, ……lYN OADM l21, l22, ……l2N lY2, …lYN l22, …l2N l11, l15, … lX1, lX5, … Su ognuna delle fibre in ingresso sono presenti N portanti ottiche WDM; vi sono, inoltre, M portanti ottiche tributarie. OADM è in grado di estrarre sino ad M portanti ottiche nelle fibre di ingresso, sostituendole con le corrispondenti portanti ottiche tributarie, relative al traffico locale. Negli OADM fissi, lunghezze d’onda e numero di tributari sono configurati via hardware; negli OADM parzialmente flessibili, lunghezze d’onda e numero di tributari sono in parte configurati via hardware, in parte via software; negli OADM flessibili, tutto è configurabile via software.

Sistemi WDM e Optical Networking - OADM Un OADM flessibile può gestire 32 lunghezze d’onda su una singola coppia di fibre (la capacità totale della coppia, operando @ 10 Gbit/s è, quindi, pari 320 Gbit/s), in modo indipendente dall’effettivo bit-rate e dal protocollo di comunicazione; realizza protezioni di rete e consente di monitorare la qualità del segnale ottico; è utilizzabile in anelli nazionali, metropolitani o regionali. ····

Sistemi WDM e Optical Networking - OXC l11, l12, ..l1N l21, l22, ..l2N lK1, lK2, ..lKN •••• Optical demux ••• •• Tributari trasmissione Optical mux Tributari ricezione Convertitori di l la1, la2, ..laN lb1, lb2, ..lbN lm1, lm2, ..lmN Su ognuna delle fibre in ingresso vi sono N portanti ottiche WDM; l’optical demux invia ogni lunghezza d’onda verso la matrice relativa a tale l; le matrici ottiche commutano le portanti (di fibre e tributari) con la stessa l; gli amplificatori ottici compensano le attenuazioni dei vari dispositivi; la conversione di l migliora l’efficienza del sistema nel suo complesso.

Sistemi WDM e Optical Networking - Reti ottiche Le reti tradizionali, con i loro collegamenti DWDM, i terminali ottici e i commutatori elettronici (EXC - Electronic Cross Connect) sono reti opache: il cammino tra gli utenti finali è interrotto ai vari nodi intermedi dalle conversioni elettrica-ottica-elettrica (EOE); tali conversioni sono costose e dipendenti dal bit-rate. Viceversa, in reti completamente trasparenti, la conversione EOE è effettuata solo in corrispondenza dei punti di generazione e terminazione dei flussi informativi, per cui la rete risulta completamente “scalabile” e “flessibile”, del tutto indipendente dal bit-rate e dai protocolli di comunicazione di tali flussi ottici. Una rete completamente ottica, tuttavia, anche ove fossero efficacemente disponibili commutatori ottici e rigeneratori ottici 3R, pone formidabili problemi di progettazione, volendo, ad esempio, assicurare un target di rapporto segnale rumore ottico a tutti i flussi, a qualunque bit-rate, per qualsiasi percorso nella rete, anche in vista delle sua evoluzione temporale.

Sistemi WDM e Optical Networking - Reti ottiche Preferibile, allora, sviluppare “isole ottiche”, cioè sottoreti trasparenti, otticamente isolate tra loro, realizzate con collegamenti DWDM, OXC e OADM, nell’ambito delle quali garantire un definito livello di qualità; la rigenerazione EOE è effettuata al “confine” di tali isole ottiche e garantisce il livello di qualità ai flussi che traversano le “frontiere” delle reti trasparenti. Le dimensioni delle “isole ottiche” dipendono dai parametri trasmissivi delle fibre (attenuazione, dispersione, effetti non lineari), dei componenti di rete (amplificatori ottici, OXC, OADM) e dal livello qualitativo richiesto. Tale rete parzialmente trasparente è economicamente conveniente rispetto alla soluzione opaca, essenzialmente per il risparmio sui transponder, che rappresentano un costo percentualmente notevole dei costi di rete (circa il 75%), possibile ove siano disponibili gli OXC. L’effettivo sviluppo di tali reti sarà criticamente legato sia ad aspetti di ingegneria di rete (OXC, 3R), sia di management (MPLS).