COMUNICAZIONI OTTICHE A
Prof. Alberto Bononi                  Tel. 0521 905760            mailto:alberto.bononi@unipr.it        http://www.tlc.unipr.it/bononi/COA/COA.html
 Finalità

Il corso si propone di fornire gli strumenti di base per l'analisi e la progettazione dei moderni sistemi di telecomunicazione in fibra ottica.

 Orari Lezioni (A.A. 2008/2009)

Lunedi 16:30-18:30 Aula B4; Mercoledi 14:30-16:30 Aula B4.

 Ricevimento

Mercoledi 12:30-13:30, Ufficio (Palazzina 2, stanza 2/19T).


Modalità d'esame

L'esame consiste in una prova orale di un'ora circa, con svolgimento di esercizi (portare una calcolatrice, si può consultare un formulario composto da un foglio A4) e domande di teoria.

Date Appelli

Da concordare personalmente col docente. Telefonare almeno una settimana prima della data in cui si vorrebbe sostenere l'esame.

Programma (44 ore)


LEZIONE 1:
Panoramica sulle fibre ottiche (presentazione COA.ppt): 1) Principi fisici, 2) Storia delle fibre ottiche, 3) Fibre per telecomunicazioni, 4) Principali settori di mercato delle fibre ottiche.

LEZIONE 2:
-- Cap 1. Richiami sulla Propagazione in fibra --
Dispersione modale. Fibre a singolo modo. La fibra a singolo modo come sistema lineare a un ingresso ed una uscita: risposta in ampiezza e risposta in fase. Distorsioni di fase: Dispersione cromatica.
Bibliografia: [a0].

LEZIONE 3:
-- Cap 1. Richiami sulla Propagazione in fibra --
Limidi dovuti a dispersione cromatica: i) sorgenti ottiche larga banda e ii) sorgenti a banda stretta. Tipi di fibre commerciali. Dispersione di materiale e guida d'onda. Fibre Dispersion Shifted e fibre per compensazione della dispersione.
-- Cap 2. Group velocity dispersion (GVD) --
Equazione lineare di propagazione. Il retarded time frame. Differenti notazioni degli ingegneri e dei fisici.

LEZIONE 4:
-- Cap 2. Group velocity dispersion (GVD) --
La GVD come filtro a fase quadratica. Effetto del chirp lineare su impulsi Gaussiani: lunghezza di dispersione ed allargamento. Penalità sulla chiusura dell'occhio (ECP) e limiti trasmissivi.

LEZIONE 5 :
-- Cap 2. Group velocity dispersion (GVD) --
Generalizzazione a impulsi gaussiani con Chirp modulati su portanti a riga qualunque, e con fibra che include il beta3. Formula di Chen per la ECP da GVD con sorgente a riga stretta. Risposta ad impulsi super-Gaussiani, Impulsi NRZ, ed effetto della modulazione a gradino della fase di ingresso. Interpretazione dei risultati numerici: Trasformata di Fresnel.

LEZIONE 6 :
-- Cap 2. Group velocity dispersion (GVD) --
Risposta al gradino in campo e fase usando la funzione Spirale di Cornu. La fibra come trasformatore di Fourier e ruolo del chirp come acceleratore di convergenza alla trasformata. Cenni alla profondità di intereerenza intersimbolica (ISI) dovuta alla GVD.
-- Cap 3. Trasmettitori ottici --
Etalon (Fabry-Perot, FP): trasmissività, finesse, free spectral range.

LEZIONE 7:
-- Cap 3. Trasmettitori ottici --
Usi del FP: spectrum analyzer e filtro selettivo. Condizione di stabilità del filtro FP. La condizione di oscillazione.
L' amplificazione ottica: equazione di propagazione, inversione di popolazione. Diodi laser a semiconduttore. Semiconduttori a gap diretto, eterogiunzione. Caratteristica P-I del diodo laser. Clamping di guadagno per effetto laser. Spatial hole burning e modi multipli trasversali.

LEZIONE 8:
-- Cap 3. Trasmettitori ottici --
Effetti della modulazione diretta: oscillazioni di rilassamento, extinction ratio e chirp. Reticoli di Bragg e laser DFB e DBR. Modulatori esterni. Interferometro Mach-Zehnder(MZ): la struttura. Dettagli sull'accoppiatore ottico. MZ come filtro ottico.

LEZIONE 9:
-- Cap 3. Trasmettitori ottici --
MZ come modulatore. Modulatore ad elettro-assorbimento. Chirp nei modulatori: ideale, EA, MZ. Relazioni di Kramers-Kronig. Misura di GVD e chirp di un modulatore.


LEZIONE 10:
-- Cap 4. Amplificatori Ottici --
Amplificatori ottici a semiconduttore (SOA) ed in fibra drogata all'erbio (Erbium-doped fiber amplifiers, EDFA): confronti qualitativi. Analisi degli EDFA. Equazione di propagazione. Inversione media. Equazione di bilancio. Equazione del reservoir. Equazione di Saleh a regime. Modello dinamico dell'EDFA. Schemi a blocchi. Schema idraulico equivalente. Esempi di transitori di guadagno in trasmissione a pacchetto.

LEZIONE 11:
-- Cap 4. Amplificatori Ottici --
Guadagno ai piccoli segnali. Saturazione di guadagno per singolo canale. Potenza di saturazione. Curva di saturazione di guadagno. Spectral hole burning. Potenza di saturazione di uscita. Lunghezza ottima per singolo canale. Modello ai piccoli segnali. Filtro del reservoir.

LEZIONE 12:
-- Cap 4. Amplificatori Ottici --
Il rumore ottico di amplificazione spontanea (ASE). Densità spettrale di potenza (PSD) dell'ASE. Il fattore di emissione spontanea n_sp. Modello a reservoir esteso all'ASE. Cifra di rumore (definizione di Haus). Formula di Fijss. EDFA reale e sua cifra di rumore.

LEZIONE 13:
-- Cap 4. Amplificatori Ottici --
Direzione della pompa nell'EDFA. Amplificatori Dual-stage.
Cenni al gain-clamping: principio ed esempi.
Semiconductor optical amplifiers (SOA): analogie/differenze con EDFA. Saturazione e crosstalk nel WDM
Cenni al Signal double Rayleigh backscattering (SDRB) ed il motivo degli isolatori negli amplificatori.

LEZIONE 14:
-- Cap 5. La Fotorivelazione --
Ricezione ottica nei semiconduttori, efficienza quantica. Fotodiodo (PD): giunzione PN. Responsivity. Zone di lavoro e dark current. Banda del fotodiodo. Fotodiodo PIN. Circuito elettrico equivalente. Curve di progetto dei PIN. Fotodiodo APD.

LEZIONE 15:
-- Cap 5. Modello matematico del PD --
Luce coerente, arrivi di Poisson. Risposta del PD (solo transito). Teorema di Campbell. Processo impulsi di Poisson. PSD del rumore shot noise (SN). APD: impulsi di Poisson filtrati e marcati. Ricevitori Ottici: richiami sulla teoria della ricezione. Filtro adattato ad NRZ e integratore a finestra mobile.
-- Cap 5. Ricevitori Ottici --
Tipi di Front-End: Bassa impedenza.

LEZIONE 16:
-- Cap 5. Ricevitori Ottici --
Tipi di Front-End: Alta impedenza, Transimpedenza. Rumore termico equivalente di ingresso. Calcolo del BER in sistemi OOK: quantum limit. BER con PIN e rumore termico. Approssimazione gaussiana, formula di Personick. Sensitivity. Sistemi thermal-limited e sensitivity penalty indotta dall'extiction ratio.

LEZIONE 17:
-- Cap6. BER in sistemi OOK --
- BER con APD e rumore termico. Sensitivity. Sensitivity penalty (SP) vs Eye closure penalty (ECP). Power Budget, margine. Lughezza massima di tratta con PIN e APD. ISI dovuta a GVD: SP con PIN e APD. Altre formule di penalty per GVD.

LEZIONE 18:
-- Cap7. BER con amplificatori ottici --
Il PIN come quadratore di campo. L'ASE Ricezione IM/DD amplificata. La griglia ITU per WDM, bande S,C,L. Calcolo BER: formula Marcuse.

LEZIONE 19:
-- Cap7. BER con amplificatori ottici --
Calcolo OSNR sensitivity dalla formula Marcuse. Ricezione con pre-amplificatore: confronto sensitivity con PIN e APD. ISI della circuiteria elettronica. OSNR sensitivity penalty (SP) in funzione della eye closure penalty (ECP. Misura di Q-factor col metodo Bergano.
-- Cap8. Catene di amplificatori --
Richiami sulla cifra di rumore Fn. Definizione classica di Fn. Catene trasparenti: M span identiche. Degrado OSNR lungo la linea.

LEZIONE 20:
-- Cap 8. Catene di amplificatori --
Massima distanza (limite dovuto ad OSNR): amplificazione distribuita è l'ottimo. Nonlinearità a singolo canale (self-pase modulation (SPM)): limite sulla fase nonlineare. Distanza massima e potenza necessaria in fibra: vincoli su OSNR e SPM. Considerazioni quatitative sui sistemi sottomarini transatlantici (5000 km) e transpacifici (8000 km). Amplificazione Raman come espediente per l'upgrade di sistemi terrestri da 10 a 40 Gb/s per canale. Catene con loss disomogenei assegnati: ottimizzazione dei guadagni degli amplificatori (metodo Mecozzi). Ottimizzazione coi moltiplicatori di Lagrange.

LEZIONE 21:
-- Cap 8. Catene di amplificatori --
Metodo Mecozzi: interpretazione dei guadagni ottimi.
Link sottomarini a singolo canale: stabilizzazione della potenza di segnale nella catena di amplificatori in saturazione. Spiegazione stabilizzazione con equazioni reservoir. Concatenazione della risposta spettrale di centinaia di EDFA.
Link sottomarini WDM: perché OSNR varia sui canali WDM. La pre-enfasi per equalizzare l'OSNR.

LEZIONE 22:
-- Cap 8. Catene di amplificatori --
Pre-enfasi: calcolo potenze ottime tramite ricerca autovettore/autovalore matrice Gamma dei guadagni (metodo Forghieri). Miglioramento dovuto ai Gain Flattening Filters.
-- Cap 9. BER con rumore interferometrico --
Trattazione generale com rumore gaussiano
- sensitivity penalty
- applicazioni: SDRB, RIN, crosstalk homo-wavelength

Riferimenti Bibliografici
Libri

[b1] G. P. Agrawal, ``Fiber-optic communication systems'', 3rd ed. Wiley, 2002.
[b2] J. Buck ``Fundamentals of optical fibers''. Wiley, 1995.
[b3] P. E. Green, ``Fiber optic networks''. Prentice Hall, 1993.
[b4] B. E. A. Saleh, M. C. Teich, ``Fundamentals of photonics''. Wiley, 1991.
[b5] A. Bogoni, L. Potì, ``Elementi di comunicazioni ottiche''. Pitagora, 2003.
[b6] M. Luise, ``Sitemi di trasmissione su fibra ottica''. Edizioni ETS, Pisa, 1996.
[b7] S. B. Alexander, ``Optical Communication Receiver Design''. SPIE press, Vol. TT22, 1997.
[b8] I. P. Kaminow, and T. L. Koch Ed., ``Optical fiber telecommunications.'' Vol III A, Academic Press, 1997.

Articoli

[a0] P. S. Henry, ``Lightwave primer'', J. Quantum Electron., vol. QE-21, n. 12, pp. 1862-1879, Dec. 1985.
[a1] A. Papoulis, ``Pulse compression, fiber communications, and diffraction: a unified approach'', J. Opt. Soc. Am. A, vol. 11, n. 1, pp. 3-13, Jan. 1994.
[a2] A. Bononi, L. A. Rusch, ``Doped fiber amplifier dynamics: a system perspective'', IEEE J. Lightwave Technol., vol. 16, pp. 945-956, May 1998.
[a3] A. Bononi and L. Barbieri, ``Design of gain-clamped doped-fiber amplifiers for optimal dynamic performance,'' IEEE J. Lightwave Technol., vol. 17, pp. 1229--1240, July 1999.
[a4] R. Ramaswami and P. Humblet, ``Amplifier induced crosstalk in multichannel optical networks,'' IEEE J. Lightwave Technol., vol. 8, pp. 1882--1896, Dec. 1990.
[a5] P. Humblet, and M. Azizoglu ``On the bit error rate of lightwave systems with optical amplifiers,'' IEEE J. Lightwave Technol., vol. 9, pp. 1576--1582, Nov. 1991.
[a6] A. Mecozzi, ``On the optimization of the gain distribution of transmission lines with unequal amplifier spacing,'' IEEE Photom. Technol. Lett., vol. 10, pp. 1033--1035, July 1998.
[a7] F. Forghieri, R. W. Tkach, and D. Favin, ``Simple model of optical amplifier chains to evaluate penalties in WDM systems,'' IEEE J. Lightwave Technol., vol. 16, pp. 1570--1576, Sep. 1998.