A causa della grande quantità di informazioni che possono viaggiare su una fibra ottica, soprattutto quando viene utilizzata la multiplazione nel dominio della lunghezza d’onda (Wdm o Dwdm), la trasmissione viene tradizionalmente realizzata con una semplice tecnica binaria on-off (acceso/spento) detta keying on-off (Ook), in cui l’impulso luminoso è presente oppure è assente. Recentemente sono però comparse anche tecniche che prevedono modulazioni più complesse, allo scopo di aumentare l’efficienza spettrale, analogamente a quanto è stato fatto per le trasmissioni in radiofrequenza. Le varie realizzazioni offerte in ambito commerciale e l’elevato symbol rate delle modulazioni ottiche più sofisticate richiedono l’impiego di strumenti dedicati e molto potenti per le misure. Aumentare semplicemente la velocità di trasmissione non è infatti sufficiente. Maggiori velocità di trasmissione con codifica Ook richiederebbero maggiore larghezza di banda e vedrebbero comunque un aumento proporzionale del livello di rumore. Migliorare il rapporto segnale/rumore (Osnr) aumentando la potenza della sorgente (tipicamente un laser) non sempre è possibile e inoltre farebbe aumentare anche la dispersione cromatica e gli effetti della dispersione di polarizzazione (Pmd). L’attuale limite di separazione tra i canali a 50 GHz Dwdm limita la banda disponibile e l'obiettivo dei progettisti è aumentare l'efficienza spettrale mantenendo inalterata la rete esistente e la separazione tra i canali; la soluzione migliore è adottare tecniche di modulazione che coinvolgano fase e ampiezza, ottenendo un symbol rate adeguato. La scelta cade spesso sui formati di modulazione differenziale, perché non richiedono un riferimento assoluto: in pratica un impulso diventa il riferimento per l’impulso successivo. La modulazione di fase differenziale (Dpsk) confronta la fase di un impulso con quella dell’impulso precedente, codificando un singolo bit. La modulazione in quadratura di fase Qspk utilizza invece quattro valori di fase spaziati di π/2 per codificare due bit e similmente agisce la Dpsk con l’unica differenza che il segnale è codificato nella differenza tra due stati consecutivi anziché nel valore del singolo stato. Sia la Qpsk che la Dqpsk sono modulazione utilizzate anche in radiofrequenza. La modulazione PM, cioè associata alla polarizzazione, non è invece tipica delle trasmissioni radio, ma viene invece utilizzata dai radar e anche nelle trasmissioni in fibra ottica, solitamente abbinandola proprio alla Qpsk ottenendo così la possibilità di codificare 8 stati (bit) per ogni simbolo e raggiungendo velocità di trasmissione fino a 100 Gb/s con 50 GHz di banda.
Strumenti all’avanguardia
Tutti questi aspetti rendono le misure sui segnali trasmessi in fibra ottica abbastanza complicate; l’elevata velocità di trasmissione è già un problema di per sé, ma gli strumenti più moderni riescono a reggere bene il confronto. Ad esempio, l’oscilloscopio digitale WaveMaster 830Zi di LeCroy, con 30 GHz di banda analogica e una frequenza di campionamento che arriva a 80-GS/s è riuscito, in attività di laboratorio, a misurare trasmissioni di segnali a 224 Gb/s, equivalenti a un symbol rate di 56-Gbaud con modulazione DP-Qpsk. Grazie alla capacità di emulare un ricevitore coerente in un sistema intradina, l’oscilloscopio è riuscito a rilevare formati di modulazioni complesse sia DP-Qpsk che Qam (modulazione di ampiezza). In un sistema omodina (detto anche zero-IF) l’oscillatore locale ha esattamente la stessa frequenza della portante e quindi la modulazione viene rilevata confrontandola con una valore in continua; invece i sistemi intradina creano una IF a frequenza relativamente bassa, molto prossima alla banda di modulazione.Nel caso delle misure su fibre ottiche, sarebbe poco pratico realizzare un PLL ottico in grado di combinare eterodina e portante (come avviene nelle trasmissioni in radiofrequenza) e quindi si preferisce generare una IF più bassa. Dopo che l’oscilloscopio ha digitalizzato i segnali delle portanti I e Q, viene ricavato il bit rate e quindi vengono calcolate ampiezza e fasi di ogni simbolo. La fase viene confrontata con l’angolo di fase del punto più vicino della costellazione per un dato tipo di modulazione e la differenza di fase permette di correggere il simbolo successivo. In pratica si crea un diagramma di costellazione in cui possono essere individuati gli errori del segnale. Banda molto ampia e elevata frequenza di campionamento sono i requisiti che permettono agli oscilloscopi digitali di confrontarsi con le misure di segnali trasmessi su fibre ottiche, come dimostrano appunto gli strumenti LeCroy o Tektronix; oggi poi sono anche disponibili software specifici che abbinati proprio agli oscilloscopi permettono di analizzare l’intero campo elettrico dei segnali su fibra ottica: l’esempio più recente è il Coherent Lightwave Signal Analyzers OM4000 di Optametra.
Un esempio di strumento integrato è invece l’analizzatore Anritsu MP1800A, in grado di generare automaticamente tutti i segnali elettrici, di modulazione e di demodulazione necessari a misurare le trasmissioni Qpsk e Dqpsk. Di recente è stato anche dotato di un software di precodifica che permette la generazione totalmente automatica dei segnali necessari per misure su trasmissioni ottiche a 40 o 100 Gb/s. In effetti il MP1800A è progettato per la verifica dei livelli fisici di trasmissione ad alta velocità richiesti dai protocolli GigaEthernet a 40 e 100 Gb ed è dotato di un pattern editor integrato per la creazione di pattern Ethernet e Sonet Sdh
L’analizzatore di modulazione ottica Agilent N4391A è uno strumento che include un Pbs per separare le componenti X e Y della polarizzazione e due circuiti ibridi ottici che permettono di ricavare le componenti I e Q di ciascuna polarizzazione. Può utilizzare un oscillatore locale esterno oppure uno interno regolabile, in entrambi i casi con uscite separate per i due circuiti ibridi. Un ricevitore coerente cattura le informazioni sul campo elettrico del segnale ottico e permette al software di elaborarlo per eliminare le distorsioni dovute a CD e Pmd.
L’N4391A è un vero e proprio analizzatore vettoriale combinato con un oscilloscopio ad alta velocità, che sfrutta le tecnologie introdotte da Agilent con gli strumenti della famiglia 90000-X, ovvero 32 GHz di banda e 80 GS/s di frequenza di campionamento, oltre a funzioni di misura del vettore errore (Evm) con algoritmi di compensazione per CD e Pmd. Per i ricercatori che già si spingono nelle trasmissioni ottiche a velocità di terabit/s, sono invece disponibili strumenti come i moduli analizzatore di spettro ottico OSA-1xx/5xx di JDSU. Le funzioni base di questi analizzatori sono le misure della lunghezza d’onda, della potenza e del rapporto Osnr, su qualsiasi tipo di modulazione. JDSU è un fornitore di strumentazione Ethernet e l'analizzatore MTS/T-BERD con piattaforma Ont supporta gli standard 40 GE e 100 GE.
Come detto, la possibilità di catturare le modulazioni dei segnali in fibra ottica richiede l’impiego degli oscilloscopi di ultima generazione, a causa delle frequenze di campionamento particolarmente elevate che sono necessarie. Ecco perché le aziende già si muovono verso nuovi strumenti ancora più performanti. LeCroy ha annunciato una nuova generazione di strumenti che estendono la tecnologia Dbi fino ad ampiezze di banda di 45 e 60 GHz, con nuovi chip di front end per ridurre il rumore in ingresso.
Ancora più avanti gli strumenti EXFO, come l’oscilloscopio PSO-100, che raggiunge i 500 GHz di banda e utilizzano il campionamento ottico. Il campionamento ottico viene realizzato utilizzando fibre non lineari che generano i campioni di segnale, cioè impulsi molto brevi che vengono combinati al segnale da campionare e grazie al Fwm viene generata una portante a una frequenza diversa, con impulsi proporzionali al segnale originale. Pur essendo uno strumento che funziona con un reale campionamento (e quindi richiede che il segnale da misurare, se a frequenza maggiori della frequenza di campionamento, sia ripetitivo per essere interpretato correttamente) permette di analizzare forme d’onda complesse senza alcuna necessità di equalizzazione, offrendo diagrammi di costellazione o diagrammi a occhio e analisi di schemi di modulazioni complesse, come Qpsk, mQam, Dqpsk e a doppia polarizzazione.
