ITTO971097A1 - Circuito opto-elettronico divisore di frequenza e relativo procedimento di impiego. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Circuito opto-elettronico divisore di frequenza e relativo procedimento di impiego"

TESTO DELLA DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ai circuiti divisori di frequenza ed è stata sviluppata con particolare attenzione alla possibile applicazione alle trasmissioni ottiche basate sulla tecnica denominata OTDM (acronimo di Optical Time Division Multiplexing ow erossia multiplazione ottica a divisione di tempo).

Questa tecnica è di particolare interesse in tutte quelle situazioni in cui insorge l'esigenza di incrementare la capacità trasmissiva di un collegamento ottico e si pone in alternativa ad altre soluzioni basate sulla condivisione dello stesso portante fisico da parte di più canali (tipicamente con il ricorso a tecniche di multiplazione di lunghezza d'onda o WDM, acronimo di Wavelength Division Multiplexing) ovvero sull'aumento del numero di fibre ottiche disponibili per il collegamento.

Quest 'ultima soluzione richiede in generale interventi sull'impianto (come la posa di nuovi cavi e la realizzazione di scavi) e tende a non sfruttare del tutto la banda estremamente ampia messa a disposizione dalle fibre ottiche.

La trasmissione contemporanea sulla stessa fibra ottica di più canali distinti, ad esempio con tecniche di multiplazione di lunghezza d'onda, offre la possibilità di utilizzare componenti opto-elettronici a velocità contenuta sia nel trasmettitore sia nel ricevitore, ottenendo comunque un'elevata capacità aggregata sul collegamento. La multiplazione di lunghezza d'onda consente inoltre di realizzare a livello ottico alcune funzioni di rete quali l'estrazione e l'inserimento di canali, 1'instradamento dinamico, la protezione del collegamento, con notevole riduzione del carico elaborativo per la parte elettronica dei nodi di rete. Gli inconvenienti principali di questo metodo sono legati alla necessità di selezionare e stabilizzare le lunghezze d'onda dei trasmettitori e dei filtri ottici utilizzati per la selezione dei canali, alla possibilità di interferenze tra i canali dovuti a fenomeni non lineari nella propagazione in fibra (ad esempio il fenomeno noto come Four Wave Mixing) o alla disuniformità spettrale del guadagno degli amplificatori ottici.

Nei sistemi basati sulla tecnica OTDM, più segnali ottici, modulati in intensità con formato RZ (ritorno a zero), vengono interallacciati in un unico flusso agendo sul ritardo relativo delle sequenze di impulsi. Questa soluzione conserva buona parte dei vantaggi delle tecniche WDM relativi alla possibilità di utilizzare componenti opto-elettronici a velocità contenuta sia nel trasmettitore sia nel ricevitore, evitando inoltre l'insorgere di alcuni dei fenomeni negativi sopra menzionati.Una condizione fondamentale per il funzionamento di un sistema OTDM sta però nel fatto che i diversi flussi ottici tributari devono essere ben sincronizzati e composti da impulsi sufficientemente stretti così da evitare l'interferenza fra i canali. Più ancora, è essenziale disporre, a livello del dispositivo demultiplatore, di un segnale di pilotaggio alla frequenza dei tributari e sincrono con il flusso multiplato.

La presente invenzione fornisce una soluzione a quest'ultima esigenza e, più in generale, realizza un circuito opto-elettronico divisore di frequenza particolarmente semplice, in grado di funzionare a frequenze anche molto elevate (tipicamente con frequenze di ingresso dell'ordine di diverse decine di Gbit/s) con buone prestazioni per quanto riguarda la stabilità dell'aggancio in frequenza e fase tra il segnale risultante dalla divisione e il segnale d'ingresso.

, Secondo la presente invenzione, tale scopo viene raggiunto grazie ad un circuito opto-elettronico divisore di frequenza avente le caratteristiche richiamate in modo specifico nelle rivendicazioni che seguono. L'invenzione riguarda anche il relativo procedimento di impiego.

Nell'applicazione - preferenziale ma non esclusiva - ad un sistema di trasmissione OTDM tale circuito consente di realizzare una divisione della frequenza di cifra aggregata impiegando componenti con banda non superiore alla frequenza di cifra del tributario. La realizzazione del divisore di frequenza non richiede pertanto un grado di sviluppo tecnologico superiore a quello necessario per la realizzazione del trasmettitore e del ricevitore del singolo canale del sistema di trasmissione.

L'invenzione verrà ora descritta, a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni annessi, nei quali:

- la figura 1 rappresenta, sotto forma di uno schema a blocchi, la generale conformazione di un sistema di trasmissione ottica OTDM nel quale è suscettibile di trovare impiego un circuito divisore di frequenza secondo l'invenzione,

- la figura 2 illustra - sempre sotto forma di uno schema a blocchi - la generale struttura del circuito divisore secondo l'invenzione, e

- la figura 3 è un diagramma che rappresenta una caratteristica di funzionamento di uno dei componenti del circuito della figura 2!,

Nella figura 1 il riferimento T indica nel complesso un collegamento ottico realizzato secondo la tecnica OTDM.

Il sistema T, operante secondo criteri di per sé noti, consente di convogliare su una linea in fibra ottica W (con associate rispettive unità di amplificazione/equalizzazione rappresentate schematicamente dai blocchi AE1 e AE2) un segnale ottico modulato in intensità con formato RZ {ritorno a zero) avente una frequenza di cifra f0 pari, ad esempio, a 40 Gbit/s.

Tale segnale ottico è ottenuto aggregando in un'unità di affasciamento (accoppiamento ottico) OC un certo numero di segnali ottici (quattro nell'esempio), definiti "tributari", ciascuno con frequenza di cifra fx pari a 10 Gbit/s.

E' del tutto evidente che il riferimento ad un flusso aggregato con frequenza di cifra pari a 40 Gbit/s, ottenuto tramite affasciamento di quattro flussi tributari a 10 Gbit/s, è da ritenersi puramente esemplificativo. Tanto la frequenza di cifra dei segnali tributari, quanto il numero di tali segnali affasciati, quanto ancora - di conseguenza - la frequenza di cifra del flusso aggregato risultante costituiscono parametri di progetto suscettibili di essere variati - anche con margini ampi - in funzione delle specifiche esigenze applicative e dei componenti utilizzati, senza per questo uscire dall'ambito della presente invenzione.

In particolare, i flussi tributari (nel seguito della presente descrizione si continuerà a far riferimento, a titolo di esempio, a quattro flussi tributari) vengono generati a partire da un treno di impulsi RZ emesso da una sorgente di impulsi S, tipicamente costituita da una sorgente laser con impulsi sufficientemente stretti e delimitati nel dominio del tempo. Il segnale della sorgente S viene ripartito tramite un separatore SPI in una pluralità di repliche ciascuna delle quali viene inviata all'ingresso di un rispettivo modulatore MI a M4.

I dati di ingresso al trasmettitore, sotto forma di segnali elettrici idealmente provenienti da una sorgente dati SD pilotata in modo sincrono con la sorgente S per effetto del comune asservimento ad un oscillatore di sincronismo SYN (operante anch'esso, nell'esempio di attuazione illustrato, ad una frequenza di 10 GHz, pari alla frequenza della sorgente S), sono organizzati su un corrispondente numero di canali C1-C4, ciascuno con una frequenza di cifra di 10 Gbit/s. I segnali presenti sui canali C1-C4 pilotano i rispettivi modulatori ottici M1-M4. Questi ultimi "scrivono" l'informazione sui relativi treni di impulsi ed i segnali ottenuti vengono inviati verso la fibra W attraverso l'accoppiatore ottico OC dopo essere stati mutuamente sfalsati nel tempo di un intervallo di tempo At, per esempio in rispettive linee di ritardo ottiche regolabili L1-L4.

II flusso aggregato iniettato nella fibra W presenta quindi una tipica struttura multiplata nel dominio del tempo. In pratica, il flusso aggregato convogliato dalla fibra W è costituito in sequenza ciclica da un simbolo corrispondente a un dato proveniente dal canale Cl, un simbolo corrispondente ad un dato proveniente dal canale C2, un simbolo corrispondente a un dato proveniente dal canale C3, un simbolo corrispondente a un dato proveniente dal canale C4, ecc .

In sede di ricezione, il flusso aggregato viene inviato ad un demultiplatore ottico DMPX che estrae ordinatamente dal flusso aggregato ricevuto i segnali corrispondenti ai canali tributari instradandoli quindi verso corrispondenti ricevitori RX1-RX4 per ricostruire in uscita i flussi corrispondenti ai canali C1-C4.

Per essere in grado di estrarre correttamente i diversi segnali tributari, il dispositivo demultiplatore DMPX richiede un segnale di pilotaggio e2 (fornito da un circuito di recupero del sincronismo indicato nel complesso con 1 e destinato ad essere inviato anche ai ricevitori RX1-RX4) alla frequenza dei tributari ed in condizioni di aggancio in fase con la frequenza del flusso aggregato (o multiplato).

Operando in formato RZ, nello spettro del flusso multiplato è sempre presente una riga alla frequenza di cifra del flusso aggregato, mentre è assente la componente spettrale alla frequenza del tributario (che scompare in seguito all'operazione di multiplazione). Per operare correttamente, il circuito di recupero del sincronismo deve quindi effettuare una divisione della frequenza di cifra aggregata con un ordine di divisione pari a quello di multiplazione, mantenendo altresì l'aggancio in fase fra la frequenza originaria e quella divisa.

Nel caso specifico, il segnale corrispondente alla frequenza di cifra aggregata viene spillato a partire dal segnale proveniente dall'uscita della fibra W tramite un componente quale un separatore SP2.

Il circuito 1 di recupero del sincronismo, che costituisce l'oggetto dell'invenzione, è quindi un circuito che, a partire dal segnale ottico alla frequenza aggregata, è in grado di generare un segnale elettrico con frequenza corrispondente alla frequenza dei segnali tributari.

Il circuito secondo l'invenzione si rifa idealmente al circuito noto come divisore di frequenza di Miller. Tale circuito divisore, noto anche come divisore rigenerativo in quanto costituito da un sistema retroazionato, è caratterizzato da livelli di rumore aggiunto molto bassi. Esso ha trovato quindi impiego nella generazione di sorgenti ad elevata purezza spettrale, ottenuta per divisione di riferimenti ad alta frequenza. Per una generale descrizione delle caratteristiche di tale circuito noto si può far riferimento al lavoro di R. C. Miller "Fractional-frequency Generators Utilizing Regenerative Modulation" in Proc. IRE, Voi. 27, pagg. 446-457, luglio 1939.

In analogia con il divisore di Miller, il circuito 1 secondo l'invenzione utilizza un componente destinato a svolgere la funzione di miscelatore. Qui si realizza il prodotto tra la componente alla frequenza corrispondente alla cadenza degli impulsi del segnale da dividere e le armoniche del segnale elettrico di divisione proveniente dall'anello di retroazione. Tali armoniche nascono all'interno di tale componente, indicato con il riferimento 2 e caratterizzato da un comportamento non lineare.

Qualunque componentepresentante caratteristiche di questo tipo può quindi trovare impiego nell'ambito dell'invenzione. Nella forma di attuazione al momento preferita, il componente 2 è costituito da un modulatore elettro-ottico di tipo Mach-Zehnder avente le caratteristiche di trasmittività rappresentate nel diagramma della figura 3.

In tale diagramma la scala delle ordinate riporta il valore di trasmittività T (normalizzato all'unità come valore massimo) in funzione di un parametro, esprimibile come caratteristico delle condizioni di pilotaggio del modulatore 2.

In particolare VbUs rappresenta una tensione di polarizzazione applicata su un primo ingresso di pilotaggio del modulatore 2, mentre VRF è un segnale di pilotaggio a radiofrequenza applicato a un corrispondente ingresso.Nello specifico esempio di attuazione illustrato in Fig. 2, il segnale a radiofrequenza in questione è indicato con e3. Il parametro V„ è un parametro di normalizzazione: si tratta in pratica della tensione da applicare per passare dal massimo al minimo di trasmittività. Naturalmente la grandezza trasmittività è riferita al comportamento ingresso/uscita del segnale ottico che attraversa il modulatore. Nell'esempio illustrato, il segnale ottico in ingresso è rappresentato dal segnale Pin mentre il segnale di uscita, indicato con Pout, è pari a quello di ingresso moltiplicato per la trasmittività. Con il modulatore 2 è quindi possibile effettuare il "prodotto" fra le componenti spettrali della modulazione della potenza ottica in ingresso e le armoniche del segnale di pilotaggio.

Nel caso in cui il segnale a radiofrequenza VRP è un segnale sinusoidale sufficientemente intenso, la trasmittività contiene componenti alle armoniche della frequenza del segnale e3. L'ampiezza relativa di queste armoniche dipende dalla posizione del punto di lavoro sulla caratteristica del modulatore (v. Fig.

3), e quindi dalla tensione di polarizzazione Vbia8. In particolare, è possibile avere solo le armoniche pari, ponendo il punto di lavoro in corrispondenza dei massimi o minimi di trasmittività, o solo quelle dispari, lavorando al centro della caratteristica.

Nello specifico esempio di attuazione qui illustrato si desidera effettuare una divisione di frequenza per quattro (N = 4). Si è scelto allora di lavorare al centro della caratteristica, ossia in corrispondenza di uno dei punti di flesso indicati dalle frecce nella figura 3, così da generare e utilizzare la terza armonica (N-l=3) del segnale a radiofrequenza.

In altre parole, si ottiene:

- la generazione {per effetto del comportamento non lineare), a partire dal segnale e3alla frequenza flf di un'armonica di ordine (N-l) alla frequenza (N-Dfa. e

- la generazione (per effetto del tipico comportamento moltiplicativo del modulatore 2) di un segnale di uscita avente frequenza pari alla differenza delle frequenze dei segnali di ingresso (in aggiunta ad un segnale con frequenza somma).

In generale, poiché la frequenza f0 convogliata dal segnale di ingresso Pin è N volte la frequenza di il segnale differenza in uscita presenterà appunto una frequenza pari a

quest'ultima essendo appunto la frequenza desiderata.

Naturalmente, scegliendo un diverso punto di lavoro e/o un componente con caratteristiche non lineari diverse è possibile generare un'armonica di ordine diverso e quindi, se del caso, attuare un'operazione di divisione di ordine diverso. In ogni caso è importante notare che, poiché la generazione delle armoniche avviene internamente al modulatore 2, non è necessario che la banda passante dell'ingresso a radiofrequenza del modulatore 2 stesso si estenda oltre la frequenza del segnale a frequenza ίχ.

In sintesi, nello schema della figura 2, il segnale ottico in ingresso Pin modulato in intensità alla frequenza f0da dividere (40 Gbit/s nell'esempio citato) dà origine, attraverso il modulatore elettroottico 2, al segnale ottico Pout. Quest'ultimo viene ricevuto, eventualmente attraverso uno spezzone di fibra ottica 3 fungente da linea di ritardo, da un fotodiodo 4. Nel fotodiodo 4 il segnale ottico Pout viene convertito in un segnale elettrico e^

Dopo essere fatto passare attraverso una linea di ritardo elettrica variabile 5 situata a valle del fotodiodo 4, uno stadio amplificatore 6 ed un attenuatore variabile 7 {la cui funzione sarà meglio illustrata nel seguito), il segnale e3 viene filtrato in un filtro passabanda 8 centrato intorno alla frequenza fi. Il segnale filtrato così ottenuto, indicato con e3, viene rinviato verso l'ingresso V^.del modulatore 2, realizzando la retroazione. Di solito, nel passaggio dal filtro 8 (situato anch'esso a valle del fotodiodo 4 néll'ambito del cammino di retroazione) al modulatore 2, il segnale passa ancora attraverso uno stadio amplificatore 9 di regolazione di ampiezza ed un dispositivo di spillamento 10 quale ad esempio un accoppiatore direzionale. Quest'ultimo preleva una frazione del segnale di retroazione destinata a costituire il segnale di uscita e2 del dispositivo.

Il circuito realizza un aggancio in fase fra il segnale in ingresso Pin e il segnale oscillante e3 e questo rende il circuito stesso utilizzabile per l'applicazione quale dispositivo di ricupero del sincronismo tributario nello schema della figura 1.

Le esperienze condotte dalla Richiedente hanno dimostrato il vantaggio di ricorrere, nell'ambito dello schema generale della figura 2, ad alcune particolari scelte applicative.Tali scelte sono da considerarsi in generale preferenziali, anche se di per sé non imperative.

In particolare il segnale di ingresso Pin viene preferibilmente iniettato nel modulatore 2 attraverso un organo di controllo di polarizzazione, di tipo noto e non illustrato in modo specifico.

L'impiego della fibra ottica 3, responsabile della maggior parte del ritardo sperimentato dal segnale lungo il cammino di retroazione, è in generale ritenuto preferenziale al fine di stabilizzare il funzionamento del circuito, quando necessario.La linea di ritardo variabile 5 prevista nel tratto elettrico del cammino di retroazione è necessaria per il controllo fine dello sfasamento complessivo. Il preamplificatore 6 e l'attenuatore variabile 7 consentono di regolare con precisione la potenza circolante .

Il filtro passabanda 8 non richiede particolari caratteristiche di selettività. L'amplificatore 9 ha la funzione di innalzare il segnale e3 fornito all'ingresso VRP del modulatore 2 ad un livello sufficientemente elevato (ad esempio 25 dBm circa) in modo che tale segnale subisca, all'interno del modulatore 2, la distorsione necessaria alla produzione delle armoniche di interesse.

Naturalmente, fermo restando il principio dell'invenzione, i particolari di realizzazione e le forme di attuazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto descritto ed illustrato, senza per questo uscire dall'ambito della presente invenzione.

Claims (16)

1. RIVENDICAZIONI 1. Circuito optoelettronico divisore di frequenza, caratterizzato dal fatto che comprende: - mezzi miscelatori elettro-ottici (2) dal comportamento non-lineare, suscettibili di ricevere in ingresso un primo segnale ottico (Pin) a una frequenza da dividere (f0) nonché un segnale elettrico (e3) ad una frequenza data (f3) e di generare in uscita un secondo segnale ottico (P^ ) avente uno spettro di modulazione contenente, per effetto dell'azione di miscelazione, la frequenza differenza fra detta frequenza da dividere (f0) ed almeno un'armonica di detta frequenza data (f3), generata per effetto di detto comportamento non lineare, - un cammino di retroazione {3 a 10) comprendente mezzi convertitori optoelettronici (4) per convertire detto secondo segnale ottico (PQllt) in un segnale elettrico di conversione (e3) suscettibile di essere rinviato verso detti miscelatori elettro-ottici (2), - mezzi filtranti (8) associati a detto cammino di retroazione per estrarre da detto spettro la componente a detta frequenza differenza, e - mezzi estrattori (10) per derivare da detto cammino di retroazione, quale segnale (e2) risultante dall'azione di divisione di frequenza, un segnale a detta frequenza differenza.
2. 2. Circuito secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti mezzi miscelatori elettro-ottici (2) comprendono un modulatore elettroottico di tipo Mach-Zehnder.
3. 3. Circuito secondo la rivendicazione 1 o la rivendigazione 2, caratterizzato dal fatto che detti mezzi miscelatori elettro-ottici (2) sono provvisti di un ingresso di controllo (Vbias) per selezionare l'ordine di detta almeno un'armonica.
4. 4. Circuito secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 3, caratterizzato dal fatto che detti miscelatori elettro-ottici presentano una caratteristica trasmittività/tensione di ingresso dall'andamento sostanzialmente sinusoidale e dal fatto che detti mezzi miscelatori elettro-ottici (2) vengono fatti operare in corrispondenza di uno dei punti intermedi di detta caratteristica, per cui detta almeno un'armonica è un'armonica di ordine dispari.
5. 5. Circuito secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che detta almeno un'armonica è costituita dalla terza armonica di detta frequenza data (fj .
6. 6. Circuito secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che detto cammino di retroazione (3 a 10) comprende almeno un elemento di ritardo (3, 5).
7. 7. Circuito secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detto cammino di retroazione comprende, quale elemento di ritardo, una guida d'onda ottica (3) interposta fra detti mezzi miscelatori elettro-ottici (2) e detti mezzi convertitori optoelettronici (4).
8. 8. Circuito secondo la rivendicazione 6 o la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che detto cammino di retroazione comprende, quale elemento di ritardo, una linea di ritardo (5) operante su segnali elettrici disposta, nel cammino di retroazione, a valle di detti mezzi convertitori opto-elettronici (4).
9. 9 . Circuito secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che, nell'ambito di detto cammino di retroazione, detti mezzi filtranti (8) sono disposti a valle di detti mezzi convertitori optoelettronici (4).
10. 10. Circuito secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che in detto cammino di retroazione sono presenti mezzi di controllo del guadagno (6, 7, 9) per mantenere detto segnale elettrico (e3) ad un livello tale da assicurare il comportamento non-lineare di detti mezzi miscelatori elettro-ottici (2).
11. 11. Circuito secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che detti mezzi filtranti (8) sono interposti in detto cammino di retroazione, per cui detta componente a detta frequenza differenza viene utilizzata quale detto segnale elettrico (e3) alimentato in ingresso a detti mezzi miscelatori elettro-ottici (2).
12. 12 . Circuito secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che detti mezzi estrattori (10) sono disposti a valle di detti mezzi filtranti (8), per cui quale segnale risultante dall'azione di divisione di frequenza (e2) viene utilizzata detta componente a detta frequenza differenza.
13. 13. Circuito secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto primo segnale ottico (Pin) è un segnale appartenente a un flusso aggregato ottenuto per multiplazione ottica a divisione di tempo di una pluralità di flussi tributari, ciascuno avente una frequenza di cifra pari a detta frequenza data (f2) e detto segnale (e2) risultante dall'azione di divisione di frequenza è un segnale sincrono con detti flussi tributari, che costituisce un segnale di sincronismo per la demultiplazione del flusso aggregato.
14. 14 . Procedimento per estrarre da un segnale ottico (Pin) che convoglia un flusso aggregato di un numero dato (N) di segnali ottici tributari interallacciati secondo uno schema di multiplazione ottica a divisione ,di tempo, un segnale di sincronismo alla frequenza (fj di detti segnali ottici tributari, caratterizzato dal fatto che comprende le operazioni di: - sottoporre detto segnale ottico (Pin) ad un'operazione di miscelazione elettro-ottica (2) non-lineare con un segnale elettrico (e3) ad una frequenza data (fi), così da generare un ulteriore segnale ottico (Pout) avente uno spettro di modulazione contenente, per effetto dell'operazione di miscelazione, la frequenza differenza fra la frequenza di detto flusso aggregato (f0) ed almeno un'armonica di detta frequenza data (fx), generata per il carattere nonlineare di detta operazione di miscelazione, - convertire detto ulteriore segnale ottico {P^J in un segnale elettrico di conversione (e3) utilizzabile per generare detto segnale elettrico (e3) per detta operazione di miscelazione elettro-ottica, secondo un generale cammino di retroazione a cui è associata un'operazione di filtraggio (8) per estrarre da detto spettro la componente a detta frequenza differenza, - estrarre (10), a partire da detto cammino di retroazione, un segnale (e2) corrispondente a detta frequenza differenza, il segnale così estratto costituendo detto segnale di sincronismo.
15. 15.. Procedimento secondo la rivendicazione 14, applicato ad un flusso aggregato di N segnali ottici tributari interallacciati, caratterizzato dal fatto che detta operazione di conversione elettro-ottica viene realizzata con un grado di non-linearità tale per cui detta almeno un'armonica è un'armonica di ordine N-l.
16. 16. Procedimento secondo la rivendicazione 14 o la rivendicazione 15, caratterizzato dal fatto che comprende l'operazione di ritardare la propagazione di almeno uno fra detto ulteriore segnale ottico (Pout) e detto segnale elettrico di conversione (ej nell'ambito di detto cammino di retroazione.