La tabella mostra in sintesi i temi delle attività di ricerca a cui A. Bononi ha lavorato in prima persona, avvalendosi della collaborazione di numerosi ricercatori e gruppi di ricerca, sia nazionali che internazionali. Le seguenti note contengono un riassunto delle tematiche di ricerca, e costituiscono una guida alla consultazione delle pubblicazioni. Le pubblicazioni sono suddivise in gruppi, differenziati per tematica e/o per periodo di sviluppo della ricerca. Per ogni gruppo è fornita qui di seguito una tabella riassuntiva che contiene sulla sinistra le pubblicazioni su rivista, e sulla destra le corrispondenti pubblicazioni a conferenza. I lavori sono elencati in ordine cronologico di concepimento (e non di pubblicazione). Qualora il gruppo sia composto da più sotto-tematiche, queste sono indicate e numerate. Le pubblicazioni sono individuate da una sigla composta da: le iniziali degli autori, l'acronimo della rivista/conferenza, l'anno di pubblicazione. Le pubblicazioni di carattere sperimentale riportano a fianco la sigla (EX). Per ogni tematica di ricerca è data una breve sintesi del contenuto innovativo delle pubblicazioni, e un loro inquadramento nel contesto scientifico del periodo di pubblicazione.

1) Comunicazioni Ottiche Coerenti

Il tema della ricerca di:

[BGP_jlt_92] : ``Analysis of the automatic frequency control in heterodyne optical receivers''

deriva dalle specifiche esigenze di Marconi S.p.A. di definire il progetto del controllore di frequenza (AFC) nel prototipo di sistema coerente FSK a singolo ramo a 565 Mb/s sviluppato presso i laboratori G.E.C. di Wembley, UK, e presentato nelle memorie [SBGB_ieecoh_90] e [GSBB_octima_91]. Durante il soggiorno a Wembley, il sottoscritto ha approfondito il problema sia sperimentalmente che teoricamente, giungendo in seguito alla sintesi che appare in [BGP_jlt_92]. L'articolo è un lavoro che appare ad alcuni anni di distanza dal momento di massimo interesse per i sistemi ottici coerenti. Tuttavia il contributo innovativo dell'articolo sta sia nell'impostazione generale del problema, che comprende in un unico formalismo più formati di modulazione ottica coerente (DPSK, ASK, FSK), sia nell'ottimizzazione dell'AFC in funzione del tasso di errore desiderato del ricevitore ottico, a differenza delle precedenti pubblicazioni di letteratura che puntavano invece l'attenzione sul rumore di frequenza residuo dell'AFC.

Citazioni del lavoro [BGP_jlt_92] si trovano in :

C. Fujihashi, ``Detection of decision error caused by the quantum noise in an optical signal system,'' IEEE J. Lightwave Technol., vol. 12, no. 6, pp. 1057-1061, June 1994.

E. Forestieri, and G. Prati, ``Analysis of delay-and-multiply optical FSK receivers with Line Coding and non-flat laser FM response,'' IEEE J. Sel. Areas Commun., vol. 13, no. 3, pp. 543-556, April 1995.

2) Reti Ottiche Magliate Ultraveloci

Il tema dell'Instradamento nasce su indicazione del Prof. Prucnal della Princeton University di approfondire lo studio di reti a pacchetto con instradamento senza buffer, dispositivi problematici in ottica. È l'argomento principale del dottorato di ricerca del sottoscritto. Il tema è sviluppato in stretta collaborazione con un altro dottorando del Prof. Prucnal, Fabrizio Forghieri, il quale si occupava allora di trasmissione solitonica ultraveloce. Dalla fusione dei due temi di instradamento senza buffer e trasmissione solitonica nasce l'idea innovativa di analizzare le potenzialità trasmissive di reti ottiche ``trasparenti'' (cioè senza rigenerazione intermedia dei pacchetti) con trasmissione ultraveloce a singola lunghezza d'onda (tematica denominata Sistemi in tabella). Il lavoro si sviluppa in tempi in cui ancora non erano ben chiare le potenzialità trasmissive del canale ottico in presenza di nonlinearità propagative in fibra, che sempre sono presenti quando si trasmettono flussi ottici a divisione di tempo (OTDM) ad altissimo bit-rate. I lavori di questa sezione sono dunque di avanguardia, come testimoniano le pubblicazioni alle più importanti conferenze nel settore delle comunicazioni ottiche, quali la Optical Fiber Conference (OFC) negli USA e la European Conference on Optical Communications (ECOC) in Europa. Il contenuto innovativo sta nel considerare congiuntamente l'effetto ``retistico'' dell'instradamento dinamico (cioè variabile col livello di traffico) e l'effetto ``sistemistico'' dell'accumulo dei disturbi propagativi sui pacchetti ricevuti, in una situazione non classica per le comunicazioni come quella del canale nonlineare solitonico.

I due lavori più significativi, sviluppati contemporaneamente, sono:

[FBP_tc_95] ``Analysis and comparison of hot-potato and single-buffer deflection routing in very high bit rate optical mesh networks'';

[BFP_jlt_93] : ``Design and channel constraint analysis of ultra-fast multihop all-optical networks with deflection routing employing solitons'';

in cui in [FBP_tc_95] si sviluppano gli strumenti retistici su cui poggia l'analisi sistemistica in [BFP_jlt_93].

Da segnalare inoltre la lettera [BFP_el_93] che descrive una soluzione innovativa per il recupero del sincronismo di bit nella ricezione dei pacchetti ultraveloci.

Citazioni di questi lavori e collegate presentazioni a conferenze annotate in tabella, compaiono in:

M. Ajmone Marsan, A. Bianco, E. Leonardi, and F. Neri, ``Topologies for Wavelength routing all-optical networks,'' IEEE J. Trans. Networking, vol. 1, pp. 534-546, Oct 1993.

F. Borgonovo, L. Fratta, and J. Bannister, ``On the design of optical deflection-routing networks,'' in Proc. IEEE INFOCOM '94, Toronto, Canada, pp. 120-129, June 1994.

S-H G. Chan, and H. Kobayashi, ``Performance analysis of shufflenet with deflection routing,'' in Proc. IEEE GLOBECOM '93, Houston, TX, pp. 854-859, Dec. 1993.

S-H G. Chan, and H. Kobayashi, ``Asymptotic Performance of a buffered Shufflenet with deflection routing,'' in Proc. IEEE GLOBECOM '94, pp. 1935-1942, Dec. 1994.

H. Tsushima, M. Shabeer, P. Barnsley, and D. Pitcher, ``Demonstration of an optical packet add/drop with wavelength-coded header,'' IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 7, pp. 212-214, Feb. 1995.

K.-C. Lee, and V. O. K. Li, ``Optimization of a WDM optical packet switch with wavelength converters,'' in Proc. IEEE INFOCOM '95, Boston, Ma., paper 4a3, pp. 423-430, June 1994.

R. L. Cruz, and J.-T. Tsai, ``COD: alternative architectures for high speed packet switching,'' IEEE Trans. Networking, vol. 4, pp. 11-21, Feb. 1996.

S.-W Seo, K. Bergman, and P. R. Prucnal, ``Transparent optical networks with time-division multiplexing,'' IEEE J. Sel Areas Commun., vol. 14, pp. 1039-1051, June 1996.

D. Cotter, M. C. Tatham, J. K. Lucek, M. Shabeer, K. Smith, D. Nesset, D. C. Rogers, and P. Gunning, ``Ultrafast all-optical signal processing for packet switching,'' 8th Thyrrenian International Workshop on Digital Communications, Lerici, Italy, Sept. 1996, printed in: G. Prati (Ed.), ``Photonic Networks''. Springer, 1997, pp. 401-413.

D. Cotter, ``Asynchronous digital optical regeneration and networks,''

IEEE J. Lightwave Technol., vol. 16, pp. 2068-2080, Dec. 1998.

B. Hoanca et al ``All-optical routing using wavelength recognizing switches,'' IEEE J. Lightwave Technol., vol. 16, pp. 2243-2254, Dec. 1998.

E. A. Varvarigos, and J. P. Lang, ``A virtual circuit deflection protocol,'' IEEE J. Trans. Networking, vol. 7, pp. 335-349, June 1999.

C. Xie, P. Ye, ``A novel scheme of optical packet compression and decompression for all-optical packet switching networks,'' in Proc. ECOC'99, Nice, France, pp. 258-259, Sep. 1999.

Ad un periodo successivo appartiene il lavoro [BP_jhsn_96] ``New structures of the optical node in transparent optical multihop networks using deflection routing'', dove il sottoscritto sviluppa efficienti algoritmi di instradamento per nodi ottici a complessità hardware e di controllo minime, quali sono quelli imposti da una trasmissione ultraveloce. L'obiettivo del lavoro è mantenere un throughput di rete elevato con commutatori ottici semplicissimi. Una delle soluzioni suggerite è stata sviluppata in un prototipo sperimentale presentato in [BPBSSB_el_94], [BPBSSB_dod_94], [BBPSB_ecoc_94]. Citazioni di questi lavori si trovano in:

S.-W Seo, K. Bergman, and P. R. Prucnal, ``Transparent optical networks with time-division multiplexing,'' IEEE J. Sel Areas Commun., vol. 14, no. 5, pp. 1039-1051, June 1996.

L. Licciardi, ``Aspetti tecnologici per ATM.'' CSELT editions, collana ATM, p. 196, ref [6.21].

Infine il lavoro

[BP_tn_96] ``Analytical evaluation of improved access techniques in deflection routing networks''

costituisce una sintesi delle tecniche di analisi di reti magliate regolari con nodi a funzionalità limitata ( tipici in reti ottiche ) ad instradamento a deflessione in traffico uniforme messe a punto dal sottoscritto durante il dottorato a Princeton, e perfezionate nel periodo di insegnamento alla SUNY Buffalo. L'analisi si fonda sulle catene di Markov assorbenti e sulla misurazione dei parametri di rete basata sulla teoria del rinnovo. Il lavoro è anche citato (insieme a [BFP_el_93]) in un noto libro sulle reti ottiche:

R. Ramaswami and K. N. Sivarajan, ``Optical Networks. A Practical Perspective.'' Morgan Kaufmann, San Francisco, 1998, ISBN 1-55860-445-6, ref. [BP96],[FBP93].

I lavori [BP_jhsn_96] e [BP_tn_96], iniziati all'Università di Princeton, sono stati sviluppati e completati alla SUNY Buffalo.

3) Reti Ottiche Centralizzate

Questo gruppo di pubblicazioni, il cui paper più importante è:

[B_jlt_98] `Weakly vs strongly multihop space-division optical networks''

si riferisce ad un approfondimento dei risultati del gruppo precedente, dai quali emerge con chiarezza che uno dei fattori limitanti la trasmissione è il rumore introdotto dagli amplificatori ottici (ASE), proporzionale al loro guadagno. Quindi nel progetto di una rete ottica uno degli obiettivi primari deve essere il collocamento ottimale degli amplificatori ottici e delle perdite ottiche concentrate (attenuatori di potenza, quali ad esempio fibre e commutatori). Tuttavia, a differenza del gruppo precedente di pubblicazioni che considerano i solitoni, i lavori in questo gruppo considerano, oltre al rumore ASE :

1) un canale ottico non distorcente, situazione tipica in reti ad estensione geografica limitata (LAN, MAN);

2) il crosstalk derivante dalla imperfetta commutazione dei commutatori ottici, problema assai attuale e dibattuto nell'ambito dei progetti internazionali che allora si stavano avviando sulle reti ottiche. Il problema del crosstalk non si pone invece nelle reti per solitoni in quanto, essendo il solitone un impulso temporale a fase costante, e poiché la commutazione ottica è un processo dipendente dalla fase del campo ottico, il solitone viene commutato completamente su una porta o sull'altra (con riferimento a un commutatore 2x2), senza crosstalk sulla porta indesiderata.

La novità del lavoro è il confronto tra topologie di rete ``classiche'' per l'instradamento senza buffer e una nuova topologia a commutazione ``centralizzata'', a parità di tasso medio di errore sui bit ricevuti.

Alla base vi sta un approfondimento del concetto di ``hop'' applicato al calcolo del throughput di rete: un ``hop'' è un passaggio di un pacchetto da un nodo ``attivo'', capace cioè di ricevere e trasmettere nuovi pacchetti in rete. Al contrario, il passaggio da nodi di commutazione non attivi non costituisce un ``hop'' nel calcolo del throughput.

Ecco allora lo studio della topologia a nodo di commutazione centralizzato e nodi ``attivi'' posti alla periferia di rete, e il confronto con topologie magliate in cui ogni nodo di commutazione è anche attivo. In assenza di buffer ai nodi, la topologia centralizzata ha un basso numero di hop, e quindi grande throughput, benché l'attenuazione di potenza dei pacchetti ad ogni hop (e di conseguenza il rumore ottico aggiunto dai necessari amplificatori ottici) sia grande. Nelle topologie magliate classiche, il numero di hop è intrinsicamente grande, mentre l'attenuazione per hop è piccola. Nel paper si dimostra sotto quali condizioni la rete centralizzata, a parità di tasso di errore sui bit ricevuti, consenta un throughput di rete maggiore delle reti magliate classiche.

Si segnala anche il paper [B_ciss_96] che contiene approfondimenti dell'analisi retistica su cui si appoggia il paper [B_jlt_98], e che non ha un corrispettivo su rivista. In tale paper si studia come varia il throughput/ritardo di rete all'aumentare della complessità e completezza del commutatore nella rete centralizzata.

Infine notiamo che una proposta di rete coincidente con quella centralizzata in [B_jlt_98] riappare ad anni di distanza in:

H. Yokoyama and H. Nakamura, ``Mechanisms and performance of reflection routing for optical packet switched networks,'' in Proc. OFC 2002, pp. 779-781, Anaheim, CA, March 2002.

a dimostrazione del potenziale ancora attuale della proposta.

4) Reti a Instradamento di Lunghezza d'Onda

La maggior parte di questi lavori è frutto di una collaborazione tra il sottoscritto e il gruppo di Ozan K. Tonguz, allora professore alla SUNY Buffalo.

Il lavoro più significativo sull'Instradamento è:

[BCT_jlt_99] ``Analysis of hot-potato optical networks with wavelength conversion''.

La tematica si inserisce nell'allora popolare filone di ricerca sulle reti ottiche multifrequenza (WDM), dette anche Wavelength Routed optical networks (WRON).

Il contenuto innovativo sta nella proposta di nuove strutture semplificate di nodo ottico che non fanno uso di buffer per ridurre le contese tra pacchetti, ma sfruttano la conversione (o commutazione) di lunghezza d'onda. L'assenza di buffer è coordinata con un instradamento a deflessione.

L'indagine teorica di teletraffico è una rigorosa applicazione, con estensioni al caso WDM, delle tecniche già sviluppate dal sottoscritto sull'instradamento a deflessione.

Il lavoro è citato ad esempio in:

B. Mukherjee, and S. Dixit ``Advances in Photonic Packet Switching: An Overview,'' IEEE Communications Magazine, Feb. 2000.

Segue un breve cenno ai rimanenti lavori sull'Instradamento.

La lettera [CTB_el_97] quantifica la riduzione del numero di hop al crescere del numero di canali WDM, conseguente alla decrescita delle deflessioni.

Il lavoro [B_ciss_98] si stacca dai precedenti, in quanto tratta reti ad anello slottate multifrequenza, con regole di mappatura del problema classico della commutazione di cella su strutture ottiche WDM. Tale lavoro contiene interessanti paralleli topologici tra una rete ad anello slottata multifrequenza ed un commutatore slottato con input buffering. Il lavoro non ha un corrispettivo su rivista.

[GKB_leos_97] è una memoria che riguarda reti magliate WDM con instradamento a deflessione, ma senza conversione di lunghezza d'onda, sviluppata insieme all'unità del Prof. Ranjan Gangopadhyay dell'Indian Institute of Technology, Kharagpur, nel quadro del contratto finanziato dall'unione europea DAWRON, di cui il sottoscritto è stato coordinatore scientifico.

Infine i lavori [KBG_joc_03], [KCBCL_hpsr_05] e [CKCLB_jon_05] sono affinamenti sul tema del deflection routing in reti WRON con ridotto numero di apparati di conversione di lunghezza d'onda, sviluppati principalmente dal gruppo Malese del Prof. S. F. Chien e dal gruppo del Bangladesh del Prof. P. T. Kulkarni, con cui il sottoscritto è rimasto in contatto a seguito del progetto DAWRON, e da G. Castañón, ex dottorando a Buffalo ed ora Lecturer del Monterrey Institute of Technology, Messico.

Il gruppo di lavori sull'Instradamento ha posto le basi retistiche per la successiva analisi sistemistica, sviluppata nei rimanenti lavori del sottogruppo Sistemi, nei quali si studia il tasso di errore in ricezione per reti magliate WDM. Come nella tematica 3) precedente, l'analisi qui si concentra su canali non distorcenti, impulsi di supporto non solitonici (non-return to zero [NRZ] classico), e l'enfasi è sull'effetto del rumore ASE degli amplificatori e sul crosstalk derivante dalla conversione incompleta di lunghezza d'onda e dalla commutazione spaziale incompleta.

5) Nonlinearità in Fibra

Questa tematica riguarda la progettazione di sitemi ottici multi-portante (WDM) terrestri long-haul (< 600 km) e ultra long-haul (600-2000 km) a 10 e 40 Gb/s per canale, che necessariamente coinvolge lo studio delle non-linearità di tipo Kerr in fibra (una non-linearità del terzo ordine), stimolate dagli elevati livelli di potenza di lancio necessari in ogni tratta amplificata per mantenere un livello sufficiente di rapporto segnale rumore ottico (OSNR) al ricevitore. Tali effetti non-lineari possono essere efficacemente limitati mediante impiego di fibre di trasmissione ad elevata dispersione cromatica, e di fibre di compensazione della dispersione opportunamente localizzate lungo il collegamento. Tale tecnica va sotto il nome di Dispersion-Management (DM). I lavori di questa tematica riguardano lo studio, in sistemi WDM con DM, dell'effetto Kerr sul singolo canale, noto come self-phase modulation (SPM), e degli effetti di intermodulazione nel multi-canale, cioè il cross-phase modulation (XPM) ed il four-wave mixing (FWM). Infine vi è lo studio dell'interazione non-lineare di FWM tra singolo canale e rumore ottico di amplificazione (ASE), noto come parametric gain (PG).

La prima parte dei lavori riguarda un nuovo modello sul cross-phase modulation (XPM), ed è rappresentativo dell'attività di ricerca del sottoscritto e del suo gruppo di ricerca, composto all'epoca delle pubblicazioni in oggetto da due dottorandi, C. Francia e G. Bellotti, e due tesisti, M. Varani e L. Barbieri.

Il lavoro più innovativo sul XPM è

[BVFB_ptl_98] ``Intensity Distortion Induced by Cross-Phase Modulation and Chromatic Dispersion in Optical-Fiber Transmissions with Dispersion Compensation'', in cui si propone un nuovo semplice modello analitico, basato sulla conversione distribuita fase-intensità per opera della disprsione cromatica, capace di quantificare la degradazione delle prestazioni dovuta al rumore di intensità generato per XPM in sistemi DM. Il modello spiega con semplicità le cause della degradazione delle prestazioni rilevabile sperimentalmente e per simulazione.

La nascita di tale modello è conseguenza diretta di un precedente lavoro [BFB_oft_98], in cui matura l'idea chiave secondo la quale è possibile stimare correttamente la fase indotta dal processo di interazione tra XPM e dispersione cromatica, anche ignorando le distorsioni di ampiezza del campo.

Curiosamente, altri due gruppi internazionali arrivano indipendentemente a proporre essenzialmente lo stesso modello, con pubblicazioni che appaiono a pochi mesi di distanza da [BVFB_ptl_98] sullo stesso giornale (IEEE Photon. Technol. Lett., Sept. 1998, p. 1268 e p. 1271).

Benché la data di pubblicazione di [BVFB_ptl_98] sia dicembre 1998, il modello è stato sviluppato e messo a punto a partire dall'ottobre 1997 (come testimoniato dalle conferenze [BVFB_ciss_98], [BVFB_ecoc_98], [VBBF_leos_98]), ed utilizzato ai laboratori Alcatel di Marcoussis durante gli stage dei due dottorandi G. Bellotti e C. Francia.

Il lavoro è citato ad esempio in:

R. I. Killey, H. J. Thiele, V. Mikhailov, and P. Bayvel, ``Prediction of transmission penalties due to cross-phase modulation in WDM systems using a simplified technique,'' IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 12, pp. 804-806, July 2000.

S. Betti, and M. Giaconi, ``Analysis of the cross-phase modulation effect in WDM optical systems,'' IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 13, pp. 43-45, Jan. 2001.

B. Xu, and M. Brandt-Pierce, ``Analysis of XPM-induced intensity distortion using the VSTF method,'' in Proc. LEOS 2001, paper TuS2, pp. 279-280, San Diego, CA, Nov. 2001.

e nel libro

E. Desurvire, ``Erbium-doped fiber amplifiers: device and system developments'', Wiley 2002, ref [71 Bononi et al.], page 512.

Infine, il lavoro in conferenza [BBVF_iwdc_99] riassume le tematiche sul XPM ed introduce un modello simile per piccoli segnali per il SPM.

Seguono poi due lavori sul FWM in sistemi WDM su fibra dispersion-shifted (DSF), in cui lo zero di dispersione cade sulla stessa banda dei segnali WDM, quali ad esempio le fibre deposte nelle dorsali a lunga distanza in Italia, Giappone e Messico.

Il lavoro sperimentale [BPFB_iit_98], inserito nel contesto del progetto DAWRON, tratta una tecnica di misura dei termini di FWM che sono spettralmente sovrapposti al canale di interesse, mentre [BPB_ptl_02] è la versione estesa su rivista.

Il lavoro teorico [VSB_jlt_02] ``The RP method: a new tool for the iterative solution of the nonlinear Scroedinger equation'' riguarda un importante approfondimento teorico scaturito dalla tesi di laurea di Paolo Serena. Nel paper si propone il metodo della perturbazione regolare (RP) per la risoluzione dell'equazione di propagazione di Schroedinger in fibre a singolo modo, e si dimostra che esso coincide con uno sviluppo in serie di Volterra della fibra ottica con nonlinearità di Kerr. La natura iterativa del calcolo dei kernel RP permette di accelerare drasticamente i tempi di calcolo degli integrali multipli dei kernel di Volterra. Tale approccio può essere utile nel calcolo per esempio della capacità del canale ottico non lineare, o nello sviluppo di tecniche di equalizzazione nonlineare del medesimo. Il lavoro è stato esteso in:

E. Forestieri, E. Ciaramella, ``Analytical approximation of nonlinear distortions,'' IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 17, pp. 91-93, Jan. 2005.

E. Forestieri, ``Solving the nonlinear Schroedinger equation,'' in Proc. IWDC 2004, Pisa, Italy, Oct. 2004. E. Forestieri Ed., ``Optical communication theory and techniques,'' Springer, New York, pp. 33-11, 2005.

Il contenuto innovativo dell'ultimo gruppo di lavori sul PG in sistemi DM è l'estensione di noti risultati di letteratura per sistemi operanti ad alti valori di OSNR ricevuto, al caso di grande interesse industriale di sistemi ultra-long haul operanti a basso OSNR, in cui si usano codici a correzione d'errore (FEC) per ricondurre a livelli accettabili il pessimo tasso d'errore pre-decodifica sul canale. Il problema è che, al decrescere dell' OSNR, il rumore ASE cresce rapidamente, in dipendenza della mappa di dispersione, su bande spettrali parzialmente sovrapposte a quelle del segnale, ed a spese del segnale stesso, con conseguente forte degradazione delle prestazioni. I risultati dei primi esperimenti presso il centro Alcatel di Marcoussis, eseguiti durante uno stage del dottorando G. Bellotti, compaiono in [BBSB_ecoc_00], mentre un nuovo modello teorico viene sviluppato e confrontato con simulazioni ed esperimenti per spiegare il comportamento a soglia del fenomeno con la potenza di lancio in fibra, con forte dipendenza dai parametri della mappa di dispersione.

Tale lavoro è citato nel libro:

E. Desurvire, ``Erbium-doped fiber amplifiers: device and system developments'', Wiley 2002. Ch. 7, ref [41 Bellotti et al.] page 495.

Da tali lavori scaturisce la pubblicazione a conferenza [SABB_ecoc_03] e la lettera [SB_ptl_02], mentre ulteriori esperimenti vengono eseguiti presso i laboratori Alcatel. L'interesse suscitato in ambito industriale internazionale da tali lavori si manifesta con i due lavori ad invito alle conferenze LEOS [BSAB_leos_04] ed OFC [BSAB_ofc_05] (cliccare qui per vedere il powerpoint della presentazione ad OFC 2005 .), mentre l'articolo su rivista [SBAB_jlt_05] raccoglie i dettagli dei più recenti esperimenti, e gli approfondimenti della teoria.

6) Amplificatori in Fibra Drogata

La maggior parte di questo gruppo di pubblicazioni appartiene ad una tematica di ricerca sugli amplificatori ottici in fibra drogata in Erbio (EDFA) iniziata durante un soggiorno del sottoscritto all'Université Laval in Canada in collaborazione con la Prof. Leslie A. Rusch ed il suo gruppo di ricerca.

Per sapere in breve che cosa è un EDFA, cliccate qui.

Il più importante degli articoli di base sugli EDFA è:

[BR_jlt_98] ``Doped fiber amplifier dynamics: a system perspective''

Lo studio e la progettazione degli EDFA per funzionamento a regime sono ben noti da più di vent' anni. Relativamente recente è invece lo studio dei transitori di guadagno in EDFA in saturazione causati da brusche variazioni della potenza di segnale in ingresso. Tale studio è necessario nell' ambito dell'analisi dei meccanismi di protezione e riconfigurazione di rete ottica WDM, là dove flussi ottici possono essere deviati repentinamente da un cammino ad un altro.

Dal punto di vista analitico, lo studio completo di tale dinamica richiede la risoluzione di un sistema di 2(N+1) equazioni differenziali non lineari accoppiate, dove N è il numero di canali WDM. È soltanto nel 1996 che una lettera di Y. Sun (rif.[1] del [BRT_jlt_98]) mostra come la risoluzione di tale sistema sia riconducibile, sotto ipotesi semplificative molto generali, ad un'unica equazione differenziale ordinaria.

Il lavoro in [BRT_jlt_98] reinterpreta ed approfondisce i risultati di Sun in chiave sistemistica, contribuendo così alla divulgazione della fisica degli EDFA alla comunità dei sistemisti. L'interpretazione sistemistica in termini di variabili di stato dell'equazione dinamica dell'EDFA ha permesso di fornire un originale modello circuitale equivalente dell'EDFA. Inoltre nel paper si cominciano a studiare per la prima volta - a conoscenza dell'autore - le problematiche connesse alla trasmissione burst-mode a pacchetto in sistemi WDM, di cui Internet Protocol (IP) su canali WDM condivisi è un illustre esempio.

Il paper è referenziato per esempio in:

M. Karasek and J. Valles, ``Analysis of channel addition/removal response in all-optical gain-controlled cascade of erbium-doped fiber amplifiers,'' IEEE J. Lightwave Technol., vol. 16, pp. 1795-1803, Oct. 1998.

M Karasek and F. Willems, ``Channel addition/removal response in cascades of strongly inverted of erbium-doped fiber amplifiers,'' IEEE J. Lightwave Technol., vol. 16, pp. 2311-2317, Dec. 1998.

H. Yoon, S. Bae, S. J. Ahn, and N. Park, ``Reference level free multichannel gain equalization and transient gain suppression of EDFA with differential ASE power monitoring,'' IEEE Photon. Technol. Lett, vol. 11, pp. 316-318, Mar. 1999.

C. Dimopoulos, D. Simeonidou and A. S. Siddiqui, ``Evolution of SNR during power transients in chains of saturated and gain equalized EDFAs,'' Electron. Lett., vol. 35, no. 20, pp. 1756-1758, Sep. 1999.

S. Novak, and A Moesle, ``Analytic model for gain modulation in EDFAs,'' J. Lightwave Technol., vol. 20, pp. 975-985, June 2002.

S. Novak, and A Moesle, ``Simulink model for EDFA dynamics applied to gain modulation,'' J. Lightwave Technol., vol. 20, pp. 986-992, June 2002.

e compare nel libro:

E. Desurvire, ``Erbium-doped fiber amplifiers: device and system developments'', Wiley 2002. Ch. 1, ref [32 Bononi et al.] and ref [33 Bononi Rusch].

Il modello proposto nel paper è inoltre stato adottato da Virtual Photonics, produttore del pacchetto software ``Photonics Transmission Design Suite'', PTDS, tra i più diffusi nel settore industriale delle telecomunicazioni ottiche. Il modello compare nel manuale, pag. 8-58 del Photonics Modules Reference Manual, sotto il titolo di ``Dynamic Amplifier EDFA (Improved Bononi Model)''.

La tematica sul Traffico burst-mode negli EDFA si sviluppa con i lavori

[BTR_ptl_99] ``Large power swings in doped-fiber amplifiers with highly variable data''

e

[TBR_jlt_99] ``Output power and SNR swings in cascades of EDFAs for circuit- and packet-switching optical networks''

dove il modello a variabile di stato, arricchito in modo originale per tenere in conto della saturazione aggiuntiva dovuta al rumore di amplificazione spontanea, è usato per simulare lunghi transitori e raccogliere statistiche delle fluttuazioni di potenza in uscita.

Il valore di questi lavori sta nell'attaccare per la prima volta - a conoscenza dell'autore - in modo sistematico per simulazione il problema delle fluttuazioni di potenza e rapporto segnale rumore ottici in sistemi WDM con trasmissione a pacchetto burst-mode. Benchè vi sia tutt'oggi un forte interesse industriale per IP su WDM, non vi era all'epoca ancora un sostanziale corpo di pubblicazioni di ricerca che trattassero le implicazioni trasmissive ottiche di tale tecnica.

Il lavoro è citato in

I. E. Araci, G. Kahraman, ``Performance Failure Analysis of EDFA Cascades in Optical DWDM Packet-Switched Networks,'' J. Lightwave Technol., vol. 21, pp. 1156-1165, May 2003

I. M. White, E. S.-T. Hu, Y.-L. Hsueh, K. Shrikhande, M. S. Rogge, L. G. Kazovsky, ``Demonstration and System Analysis of the HORNET Architecture,'' J. Lightwave Technol. vol. 21, pp. 2489- 2498, Nov. 2003

M.-Y. Cho, Y.-S. Hurh, S.-H. Lee, G.-S. Hwang, S.-W. Namgung, S.-Y. Kim, S.-S. Lee, and J.-S. Lee, ``Repeaterless transmission of 4x10 GbE optical packet channels using a low-power EDFA in gain-saturation region,'' Photon. Technol. Lett., vol. 15, pp. 1627-1629, Nov. 2003.

Per quanto riguarda il tema del Controllo degli EDFA, la tecnica di stabilizzazione nota come gain-clamping ha attirato molta attenzione nell'industria delle comunicazioni ottiche per la sua semplicità implementativa. Il modello a variabile di stato ha permesso allo scrivente di comprendere in modo semplice il funzionamento dell'EDFA stabilizzato con gain-clamping e di ottimizzarne il progetto. La sintesi di tali studi, condotti col tesista L. Barbieri, appare in

[BB_jlt_99] ``Design of gain-clamped doped-fiber amplifiers for optimal dynamic performance''

Anche questo è un lavoro teorico tra i primi nel suo genere (un articolo teorico che tratta lo stesso argomento appare sullo stesso numero del J. Lightwave Technol.). Il contenuto innovativo del lavoro è da ricercarsi nell'impiego di tecniche tratte dai Controlli Automatici all'analisi del sistema dinamico in questione.

Il paper è citato ad esempio in

M. Menif, L. A. Rusch, M. Karasek, ``Application of Preemphasis to Achieve Flat Output OSNR in Time-Varying Channels in Cascaded EDFAs Without Equalization,'' J. Lightwave Technol., vol. 19, 1440-1450, Oct. 2001

S. V. Sergeyev, E. Vanin, S. Popov, ``Suppression of dynamic instabilities in erbium-doped fiber amplifiers with a combined gain control system,'' Opt. Lett., vol. 27, pp. 1117-1119, July 2002

I. M. White, E. S.-T. Hu, Y.-L. Hsueh, K. Shrikhande, M. S. Rogge, L. G. Kazovsky, ``Demonstration and System Analysis of the HORNET Architecture,'' J. Lightwave Technol. vol. 21, pp. 2489- 2498, Nov. 2003

e nel noto libro

G. Agrawal, ``Fiber optic communication systems'', third Ed., Wiley 2002. Ch. 6, ref [90 Bononi Barbieri], page 258.

Ulteriori lavori pubblicati lungo questa linea di ricerca sono [KBMR_jlt_00] e [KBRM_procj_00] che trattano lo studio di catene con gain clamping sottoposte a traffico WDM a pacchetto di tipo burst-mode.

È inoltre da segnalare una significativa attività sperimentale relativa alle tematiche sugli EDFA presso il laboratorio di ottica del Dipartimento di Ingegneria dell'Informazione dell'Università di Parma. I due lavori sperimentali [BPA_ecoc_99], [PBO_ecoc_99] (di cui [PBO_ptl_99] ne è la versione su rivista), presentati ad ECOC 99, sono frutto della maturata comprensione, da parte di tutto il gruppo sperimentale, della dinamica degli EDFA, e ben testimoniano la sinergia tra ricerca teorica e sperimentale nel Dipartimento in questo campo.

7) Amplificatori Raman

La tematica sugli Amplificatori Raman inizia con la tesi di laurea di M. Papararo, da cui scaturiscono i seguenti lavori:

1) [BPV_el_01] ``The impulsive pump depletion in saturated Raman amplifiers''

riguardante il calcolo analitico del profilo di guadagno di un amplificatore Raman fortemente saturato con pompa contro-propagante, mediante l'approssimazione dello svuotamento impulsivo. È questo - a conoscenza degli autori - il primo paper in cui si dimostra analiticamente che le stesse semplici e ben note equazioni del profilo di guadagno non saturo (anche detto per piccoli segnali) sono utilizzabili in caso di saturazione a patto che il valore della potenza di pompa che compare nelle equazioni sia opportunamente diminuito di una quantità calcolabile mediante risoluzione di una semplice equazione trascendente.

2) [BP_oaa_01] ``Optimal placement of isolators in Raman amplified optical links''

( e la sua estensione su rivista [BP_tops_01] riguardante il calcolo analitico delle doppie riflessioni di segnale per back-scattering di Rayleigh dentro l'amplificatore Raman contro-pompato e l'ottimizzazione del piazzamento degli isolatori all'interno di tali amplificatori. In questo lavoro si dimostra che la posizione ottima dell'isolatore sta a circa metà del tratto amplificato della fibra, quello vicino al punto di ingresso della pompa.

3) [BP_ofc_02] ``Transient gain dynamics in saturated counter-pumped Raman amplifiers,''

la cui novità consta in un modello dinamico sistemistico dell'amplificatore Raman saturato dai segnali di ingresso, per molti aspetti simile a quello già introdotto dall'autore per gli EDFA. Tale modello permette ancora una volta di ridurre la complessità computazionale dei transitori di saturazione negli amplificatori Raman da 2N equazioni differenziali accoppiate di propagazione in avanti ed indietro di N canali WDM, ad una sola equazione di aggiornamento della variabile di stato ``svuotamento relativo della pompa''. Si possono vedere cliccando qui le slides della presentazione ad OFC 2002 .

4) La pubblicazione [FBPTSC_rinem_02] rappresenta un lavoro simulativo e sperimentale in cui si dimostra che i transitori di saturazione avvengono anche in amplificatori Raman co-pompati, ma su scale dei tempi molto inferiori a quelle degli amplificatori contro-pompati. Questo lavoro segna l'inizio della collaborazione col gruppo del Prof. Selleri di Parma sull'indagine sperimentale degli amplificatori Raman.

5) [BF_ofc_03] ``Transient gain dynamics in saturated Raman amplifiers with multiple counter-propagating pumps,'' la cui novità consta nell'estensione del modello in <a href="pubs.html#BP_ofc_02">[BP_ofc_02]</a> al caso realistico di pompaggi multipli, e la verifica dei limiti del modello. Si possono vedere cliccando qui le slides della presentazione ad OFC 2003 .

6) [BPF_oft_03] ``Transient gain dynamics in saturated Raman amplifiers,''

è un lungo paper che sintetizza le presentazioni a conferenza precedenti sui transitori di guadagno negli amplificatori Raman. Elementi di novità non presenti nelle presentazioni ad OFC sono l'applicazione del modello al caso di pompa co-propagante, e un più approfondito studio dei limiti del modello dinamico al caso di pumpe multiple contro-propaganti.

8) Polarization Mode Dispersion (PMD)

La dispersione modale di polarizzazione (Polarization mode dispersion, PMD) è un fenomeno lineare di distorsione dei segnali elettromagnetici che si popagano in fibre single-mode a causa delle differenti velocità di propagazione del campo sui due assi di polarizzazione della fibra. L'allargamento degli impulsi di supporto indotto in comunicazioni OOK (fading) provoca interferenza intersimbolica e deterioramento delle prestazioni. La PMD è prodotta da varie cause riconducibili alla ellitticità variabile del core della fibra determinata in fase di produzione, o a stress da compressione nella posa in opera della fibra stessa. Variazioni di temperatura causano variazioni fisiche stocastiche delle proprietà propagative dei vari segmenti di cui una fibra si può pensare composta. Pertanto la fibra ottica appare dal punto di vista sistemistico come un canale stocastico tempo variante soggetto a fading. Lo studio della PMD è particolarmente complicato dal punto di vista analitico perchè la fibra single-mode, in propagazione lineare, deve essere modellizzata come un sistema lineare 2x2 complesso, descritto da una matrice detta di Jones. Esiste una tecnica di mappatura dello spazio dei vettori bidimensionali complessi di Jones (che descrivono gli inviluppi complessi del campo di segnale lungo gli assi x,y del piano trasverso) in uno spazio tridimensionale reale detto di Stokes. Tale mappatura ha il grande pregio di rendere geometricamente comprensibile l'azione della fibra sui segnali di ingresso. Tali regole di mappatura sono anche usate in meccanica quantistica (Cfr matrici di spin di Pauli) e in meccanica dei robot per rappresentare operatori di rotazione (Cfr quaternioni). Cardine dello studio della PMD è una caratterizzazione stocastica del canale ``fibra con PMD'', studiata come sistema dinamico guidato da un rumore ``bianco'' lungo la direzione di propagazione in fibra, rumore che fisicamente rappresenta le fluttuazioni delle caratteristiche fisiche di birifrangenza dei vari segmenti che compongono la fibra. Per affrontare tale tematica è necessaria la conoscenza dello strumento del calcolo di Ito per la risoluzione di equazioni differenziali stocastiche.

I nostri contributi originali sul tema della PMD sono i seguenti.

[VB_el_01] ``Extracting PMD statistics from a single emulated fibre sample'', che

riguarda un nuovo metodo per stimare le statistiche della fibra con PMD da misure in frequenza su un solo campione di fibra.

[BV_ol_01] ``Statistics of the Jones Matrix of fibers affected by Polarization Mode Dispersion'' e la sua versione estesa [VB_jlt_02], che riguardano lo studio delle statistiche della matrice di Jones di una fibra ottica a singolo modo affetta da PMD a partire dalle equazioni differenziali stocastiche che regolano la propagazione delle coordinate di Pauli della matrice di Jones. In contro-tendenza rispetto alla maggior parte dei lavori pubblicati sulla PMD, che si concentra sugli stati principali di polarizzazione come strumento per l'analisi di sistemi affetti da PMD, gli autori ritengono che, in presenza di forte depolarizzazione di tale vettore sulla banda dei segnali di interesse, sia più conveniente studiare un altro parametro fondamentale della matrice di Jones, precisamente gli autovalori della matrice estratta. I fondamenti teorici alla base di tale convinzione appaiono nel lungo articolo a href="pubs.html#BV_oft_02">[BV_oft_02] ``Is there life beyond the principal states of polarization?'' in cui si forniscono nuovi strumenti analitici per l'analisi di sistemi ottici affetti da forte PMD e non compensati.

Citazioni di tali lavori appaiono per esempio in:

A. Galtarossa, L. Palmieri, "Measure of Twist-Induced Circular Birefringence in Long Single-Mode Fibers: Theory and Experiments '', J. Lightwave Technol., vol. 20, n. 7, pp. 1149-1157, July 2002

H. Kogelnik, L. E. Nelson, J. P. Gordon, (Invited Tutorial) "Emulation and Inversion of Polarization-Mode Dispersion '', J. Lightwave Technol., vol. 21, n. 2, pp. 482-493, Feb. 2003

A. Eyal , "Evolution of the mean instantaneous intensity in fibers affected by polarization mode dispersion'', Opt. Lett., vol. 28, n. 10, pp. 822-824, May 2003

M. Petersson, C. Vinegoni, H. Sunnerud, and M. Karlsson, ``Statistics of PMD in recirculating loops,'' Photon. Technol. Lett., vol. 15, pp. 1543-1545, Nov. 2003.

Altri lavori sono: [VB_ofc_02] ``Sensitivity penalty distribution in fibers with PMD: a novel semi-analytical technique'', che tratta l'impiego di tecniche semi-analitiche per stimare la probabilità di fuori servizio di sistemi affetti da PMD. Anche qui si utlizza intensamente il formalismo basato sugli automodi della matrice estratta;

[VBG_ecoc_03] che propone un nuovo compensatore di PMD a tutti gli ordini, il cui funzionamento è spiegato attraverso la mappatura nel dominio di Stokes.

L'ultimo gruppo di lavori riguarda la PMD non-lineare, cioè lo studio dell'equazione di Schroedinger nonlineare di propagazione in una fibra affetta da PMD. Tale argomento è estremamente complesso, poichè presenta tutte le problematiche relative alle non-linearità Kerr (Cfr tematica 5), ma in versione vettoriale bidimensionale.

I nostri contributi originali sul tema della PMD sono i seguenti.

[BVOCLB_jlt_03] ``Degree of polarization due to cross-phase modulation and its impact on polarization mode dispersion'' presenta uno studio sia sperimentale che teorico sulla depolarizzazione mutua tra canali WDM indotta dalla nonlinearità Kerr per XPM ed il suo accoppiamento con la PMD, e la valutazione delle penalità indotte su un compensatore di PMD al primo ordine basato sul monitoraggio del grado di polarizzazione del canale di interesse. Il contributo originale del lavoro è la formalizzazione del fenomeno di rotazione stocastica di polarizzazione indotto dalla modulazione dei segnali OOK secondo il modello cosiddetto ``a carosello'', che rappresenta una estensione dei modelli precedenti, formalizzati per segnali non modulati. Tale lavoro è stato presentato alle conferenze [CTLBVB_ofc_03], [VBOCTLB_ofc_03] e [VBOCTLB_fot_03].

Infine [BO_jlt_05] ``Small-signal Analysis of Amplitude-, Phase-, and Polarization-to-Intensity Conversion in General Optical Linear Systems with Application to PMD Compensation'' riguarda un originale modello teorico linearizzato per la valutazione delle penalità indotte dal XPM in sistemi WDM con compensazione della PMD.

Citazioni di tali lavori appaiono in:

G.-W.Lu, K. Chan, L.-K. Chen, C.-K. Chan, ``Robustness of DPSK-WDM systems against nonlinear polarization fluctuation,'' IEEE Photon. Technol. Lett., vol 16, pp. 927-929, March 2004.

S. Nezam, Y.-W. Song, C. Yu, J.E. McGeehan, A.B. Sahin, A.E Willner, ``First-order PMD monitoring for NRZ data using RF clock regeneration techniques, '' IEEE J. Lightwave Technol., vol. 22, pp. 1086-1093, Apr. 2004.

R. Noe, D. Sandel, D. Mirvoda, ``PMD in high-bit-rate transmission and means for its mitigation,'' IEEE J. Sel Topics Quantum Electron., vol. 10, pp. 341-355, March-April 2004.

9) Formati di modulazione

Le comunicazioni ottiche numeriche hanno sin dal principio adottato il formato di modulazione on-off keying (OOK) per l'estrema semplicità della componentistica di modulazione e demodulazione. Nel decennio 1980-90 le comunicazioni ottiche coerenti, con formati di modulazione d'angolo e d'ampiezza tipici delle comunicazioni radio, si sono imposte sulla scena della ricerca, promettendo vantaggi in termini di sensibilità del ricevitore ed occupazione spettrale. Tuttavia l'introduzione dell'amplificatore ottico agl inizi degli anni 90 ha avvantaggiato il formato OOK, che poteva raggiungere prestazioni comparabili ai formati binari coerenti a costi molto più contenuti. Ciò ha determinato fino al 2000 l'impiego praticamene esclusivo del formato OOK nelle comunicazioni ottiche numeriche, non essendo l'occupazione spettrale un problema nel progetto di sistemi WDM. E' solo con la progettazione dei nuovi sistemi WDM ultra long-haul a 40 Gb/s per canale che si è avvertita la necessità di esplorare nuovi formati di modulazione che fossero robusti alle distorsioni lineari e non lineari introdotte dal canale ottico. In questo contesto il formato binario phase-shift keying (PSK) con codifica differenziale (DPSK) e demodulazione a livello ottico mediante un interferometro con rivelazione bilanciata si è affermato, anche per il vantaggio di avere segnali antipodali e dunque una maggior sensibilità del ricevitore. L'inviluppo costante di tale formato è inoltre causa di una riduzione dei prodotti di intermodulazione in trasmissione WDM. Tuttavia il formato PSK è vulnerabile al rumore di fase che nasce in propagazione nonlineare in fibra per conversione intensità-fase del rumore ASE operato dalla dispersione cromatica. In tale scenario le conoscenze sul parametric gain sviluppate nella tematica 5 si sono rivelate assai utili per sviluppare un originale modello analitico per il calcolo esatto del tasso d'errore in sistemi ottici DPSK in presenza di forte rumore di fase nonlineare. Le pubblicazioni a conferenza in tabella rappresentano le prime testimonianze di una attività che da due anni è allo studio nell'ambito dei progetti congiunti con Alcatel. Esse contengono inoltre estensioni al formato multilivello QPSK, che potrebbe divenire utile nel caso di trasmissioni dense WDM con spaziatura ridotta tra canali.

10) Amplificatori a semiconduttore

A seguito del progetto PRIN ``WONDER'', è cominciata una nuova attività sperimentale presso il laboratorio di Comunicazioni Ottiche del Dipartimento riguardo l'impiego di amplificatori ottici a semiconduttore (SOA), componenti a costo inferore di quasi un ordine di grandezza rispetto agli EDFA, per uso in ambito di rete metropolitana. In particolare WONDER riguarda la realizzazione sperimentale al Politecnico di Torino di una rete a bus ottico ripiegato, con 4 canali WDM spaziati di 100 GHz, su ciascuno dei quali è prevista trasmissione con modalità a pacchetto burst-mode (nessuna potenza trasmessa in assenza di pacchetti) o a bit rate di 1.25 Gb/s, compatibile con lo standard Gigabit Ethernet, o a 2.5 Gb/s. I pacchetti sono di taglia fissa, di durata 1 microsecondo. L'amplificazione ottica in trasmissione burst-mode ha bisogno di stabilizzazione di guadagno, come noto dalle conoscenze acquisite con la tematica 6. Compito dell'unità di Parma è la scelta e la realizzazione dell'amplificazione ottica. Una indagine di mercato ha indicato nei Linear Optical Amplifiers (LOA) i componenti a basso costo più promettenti per tali applicazioni. I LOA sono SOA arricchiti di specchi selettivi che creano una oscillazione laser stabilizzante in direzione perpendicolare al segnale ottico in transito. Ciò permette di avere tempi di reazione del laser estremamente più rapidi rispetto a soluzioni classiche di SOA stabilizzati con specchi selettivi in ingresso e uscita dalla guida d'onda amplificante. Inoltre il prezzo commerciale di un LOA è essenzialmente lo stesso di quello di un SOA. Il nostro laboratorio ha dunque acquisito tre LOA ed ha proceduto al testing di tali dispostivi in un ambiente applicativo diverso da quello per cui essi sono stati progettati, cioè l'ambiente WDM a commutazione di circuito. Le memorie a conferenza [SVB_fot_05], [VSBLBG_noc_05] presentano i primi risultati sul testing e semplici modelli teorici per predire le prestazioni della rete WONDER con impiego di LOA.