I modulatori elettrico-ottici, nel settore delle telecomunicazioni,
sono utilizzati su particolari e costosissimi collegamenti sui quali è indispensabile
trasmettere dati a velocità elevatissima (tipicamente 10 Gb/s) con
la più grande lunghezza (tratta ottica) della miglior fibra tecnologicamente
realizzabile.
Prima di spiegarne il funzionamento, vediamo brevemente e qualitativamente
perché è richiesto il loro impiego solo in particolari impianti.
La quasi totalità dei sistemi di telecomunicazioni in fibra ottica
utilizza, come sorgente di trasmissione, un diodo laser del tipo a semiconduttore.
In pratica il segnale in forma digitale, ma di natura elettrica, chiude e
apre il circuito che controlla la corrente del diodo laser. Si incanala
luce nella fibra quando si trasmettono i livelli fisici corrispondenti
ai valori “1” e si manda buio per i livelli fisici “0”. Questo semplice metodo
di modulazione, simile a quello che si utilizzò sulla linea telegrafica
nel 1848, è chiamato “On-Off”.
L’oggetto, dall’aspetto di un piccolo componente elettronico, in cui
entra il segnale elettrico ed esce, su apposito connettore per
innestarsi alla fibra, il segnale ottico modulato (nell’intorno di 1300 nm
o 1550 nm), anche se contiene la funzione modulatore, prende il nome di trasmettitore
ottico.
Questa semplice architettura, che funziona anche con normali diodi LED,
ma a basse velocità di commutazione (< 30 Mb/s) nell’ultimo
decennio si è evoluta per risolvere parecchi problemi che si creano con l’aumento
della velocità di accensione e spegnimento del laser.
Come per tutti i sistemi di telecomunicazioni si è sempre perseguito la
ricerca della più alta velocità di trasmissione (bit rate) con la maggior
lunghezza di collegamento possibile. In pratica si vuole aumentare il valore del
prodotto banda B per lunghezza L (Hz×km).
Senza entrare nella vastità e nelle complesse problematiche dei diversi tipi
di fibre ottiche, si sappia che una volta risolti i problemi della trasparenza
della fibra (arrivata a livelli fantascientifici di 0,2 dB/km) ed i problemi
della banda modulante del diodo laser, il prodotto B×L è limitato dalla
dispersione cromatica che dipende, scelta la miglior fibra, dalla purezza
della riga di emissione del laser, cioè dalla sua coerenza temporale.
I sistemi ad alto B×L (maggiore di 100 GHz km) sono di quarta generazione
e utilizzano la cosiddetta terza finestra a 1550 nm (dove si ottengono
lungo dedicate fibre i minori assorbimenti e dispersioni). A queste lunghezze
d’onda, laser del tipo Fabry Perot hanno una larghezza di spettro dell’ordine
di 1 nm corrispondenti a 300 GHz attorno ai 1550 nm (194 THz).
Per trasportare a lunga distanza bit rate di 2,5 Gb/s e nei sistemi
a divisione di lunghezza d’onda (WDM o Wavelength Division Multiplexing,
dove si affasciano con lo stesso principio dei multiplatori radio FDM,
più portanti laser spaziate di soli 50 GHz) occorre aumentare di molto
la coerenza temporale del laser. Si raggiungono larghezza di spettrali,
non modulate, di soli 10 MHz con laser del tipo DFB (Distributed Feedback
laser).
Tutto ciò non è sufficiente, sebbene il laser DFB sia il top
per lo scenario TLC. Quando si vuole far variare la corrente ad altissima
velocità nasce una modulazione di frequenza indesiderata (frequency chirping).
Lo spettro si allarga, degradando ulteriormente le prestazioni dovute
alla dispersione cromatica lungo la fibra.
In conclusione, quando si devono utilizzare segnali modulanti di decine
di Gb/s per lunghissime distanze, o si vuole modulare in fase (modulazione PSK) per
utilizzare sistemi di ricezione eterodina coerenti (per migliorare la
sensibilità dei ricevitori fino al limite quantico), oppure si vogliono usare
sorgenti laser non a diodo semiconduttore (quindi non modulabili) non
è più possibile usare la modulazione variando la corrente del diodo, ma
occorre ricorrere ai modulatori elettrico-ottici.
Si tratta di sistemi per telecomunicazioni di sesta generazione, tipicamente
per impieghi sottomarini, dove, per ridurre il numero di ripetitori ottici,
occorre ottenere il prodotto B×L più alto possibile: con speciali tecniche
di compensazione cromatica della fibra, si possono superare i 1000 GHz km.
Lo schema a blocchi della trasmissione è il seguente:
Come funziona un modulatore ottico-elettrico.
Invece di modulare direttamente la corrente del diodo laser, si utilizza
un modulatore esterno e si fa variare l’ampiezza o la fase direttamente sul
fascio ottico generato dal laser. Si ottengono diversi tipi di modulazioni
ottiche in funzione del segnale elettrico modulante, a seconda del principio
di funzionamento.
Abbiamo una larga varietà di modulatori: quelli che usano tecniche
di switch del percorso di luce, modulatori acustici in cui il segnale elettrico
eccita un substrato piezolettrico che fa diffrangere il fascio emesso dal
laser e modulatori On-Off che sono realizzati mediante l’interferometro
di March-Zehnder.
Non potendo, per ovvie ragioni di spazio, trattare tutti i dei tipi di modulatore, mi
limiterò a descrivere un semplice modulatore di fase in guida d’onda ottica.
Alcuni materiali come il niobato di litio (LiNbO3) hanno
indice di rifrazione n variabile in presenza di un campo elettrico variabile
a cui sono sottoposti (effetto Pocket) . Variando l’indice di rifrazione
si ottiene una variazione della velocità dell’onda e di conseguenza della
fase in funzione dell’ampiezza del segnale elettrico.
Nella seguente figura è mostrato un semplice modulatore di fase realizzato
in strip line.
Il segnale elettrico digitale, applicato a due elettrodi a cavallo
della guida d’onda attraverso la quale passa la luce, genera un campo elettrico in presenza
del livello fisico “1” e campo nullo per livello fisico “0”.
Le variazioni dell’indice di rifrazione n è direttamente proporzionale
al campo elettrico E con la seguente relazione:
dove n1 è l’indice di rifrazione originale, r è il coefficiente elettrico-ottico
che per il niobato di litio è pari a 30,8×10-12 mV-1.
La variazione di fase della luce che si propaga nel materiale è data da:
Quando applichiamo un campo elettrico trasversale alla direzione di
propagazione dell’onda elettromagnetica otteniamo:
Il campo elettrico è dato dalla tensione V applicata agli elettrodi
diviso la distanza d, e quindi la variazione di fase in funzione della
tensione applicata, fissata una lunghezza L e d, è data da:
Esempio, volendo realizzare un modulatore 2PSK1 (la fase del segnale
ottico modulato deve fare salti di 180° durante il passaggio tra i livelli
fisici “0” ed “1” del segnale elettrico modulante) occorre che in presenza
di campo elettrico E, la fase vari di π radianti.
Applicando le formule, possiamo conoscere il valore della tensione
V da applicare per ottenere una variazione di π radianti. Sapendo
che λ = 1550 nm, a questa lunghezza d’onda il LiNbO3 presenta
un indice di rifrazione n = 2,1, fissato d = 25 µm e L = 2 cm otteniamo
una tensione di circa 6 volt. Il campo elettrico attorno alla guida d’onda
è di 240 KV/m.
Tipicamente questi componenti ottici hanno una perdita di transito
del segnale ottico di circa 1 dB, a cui occorre sommare la perdita di inserzione
dei due connettori ottici (ingresso ed uscita) di 0,4 dB.
Note:
-
Con i classici ricevitori ottici diretti è possibile demodulare
solo segnali ottici modulati in intensità, dove la variazione dell’ampiezza
luminosa è funzione dell’informazione.
La demodulazione di segnali
ottici PSK, dove l’ampiezza della luce è costante, ma varia la
fase, è possibile solo con ricevitori coerenti ottici, eterodina o
omodina.
Bibliografia
- John M. Senior, “Optical Fiber Communications”. Prentice Hall
- Ivan Kaminov e Thomas Koch, “Optical Fiber Telecommunication III A”. Academic
Press - John Govar, “Optical Communications System”. Prentice Hall