Comunicazioni in fibra ottica

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La comunicazioni in fibra ottica sono un metodo per trasmettere informazione da un luogo ad un altro inviando luce attraverso una fibra ottica. La luce forma una portante elettromagnetica che viene modulata per trasportare informazione. Sviluppati per la prima volta negli anni '70, i sistemi di comunicazione in fibra ottica hanno rivoluzionato l'industria delle telecomunicazioni ed hanno giocato un ruolo fondamentale nell'avvento dell'Era dell'Informazione. A causa dei vantaggi rispetto alle trasmissioni elettriche, le trasmissioni in fibra ottica hanno largamente soppiantato le comunicazioni su rame.

Comunicare tramite fibra ottica richiede i seguenti passaggi:

Indice

Applicazioni

Le fibre ottiche sono usate da numerose aziende della telecomunicazioni per trasmettere segnali telefonici, comunicazioni internet e tv via cavo, a volte sulla stessa fibra ottica.

A causa dell'attenuazione bassissima e dall'assoluta immunità alle interferenze elettromagnetiche, le fibre ottiche presentano grandi vantaggi sui doppini in rame nelle applicazioni a lunga distanza ed elevato carico. Tuttavia, lo sviluppo di infrastrutture all'interno delle città era relativamente difficoltoso e richiedeva tempo e i sistemi in fibra erano complessi e costosi da installare. A causa di queste difficoltà, i sistemi di trasmissione in fibra ottica sono stati installati principalmente in applicazioni a lunga distanza, dove possono essere usate alla loro massima capacità di trasmissione, compensando il maggior costo. Dal 2000, i prezzi per le comunicazioni in fibra ottica sono diminuiti notevolmente. Il prezzo necessario per predisporre fibre fino alle utenze civili è ora inferiore a quello necessario per i doppini in rame.

Dal 1990, quando gli amplificatori ottici sono divenuti disponibili commercialmente, l'industria delle comunicazioni ha steso una vasta rete di linee ottiche tra le città e sotto gli oceani. Nel 2002 è stata completata una rete sottomarina intercontinentale lunga 250 000 km con una capacità di 2.56 Tb/s e nonostante le informazioni sulle reali capacità delle reti sia confidenziale, i resoconti degli investitori nel campo delle telecomunicazioni indicano che la capacità sia aumentata notevolmente dal 2002.

Storia

La necessità di avere sistemi di comunicazioni su lunga distanza affidabili esiste fin dall'antichità. Nel tempo il gradi di sofisticazione di tali sistemi è gradualmente aumentato, dai segnali di fumo, al telegrafo ed infine al primo cavo coassiale messo in servizio nel 1940. Il miglioramento di questi sistemi ha fatto si che si presentassero limitazioni fondamentali. I sistemi elettrici sono limitati dalle ridotte distanze di amplificazione (la distanza lungo cui il segnale si può propagare prima che l'attenuazione imponga l'amplificazione del segnale), e la bit-rate dei sistemi a microonde è limitata dalla frequenza di portante. Nella seconda metà del ventesimo secolo, ci si è resi conto che l'utilizzo di una portante ottica avrebbe portato a significativi vantaggi rispetto ai sistemi in uso.

Tuttavia, all'epoca non era disponibile una sorgente di luce coerente o un mezzo di trasmissione adatto. Quindi, dopo che lo sviluppo dei laser negli anni '60 risolse il primo problema, fu proposto lo sviluppo di fibre ottiche di alta qualità come soluzione al secondo. Le fibre ottiche furono sviluppate infine negli anni '70 dalla Corning con attenuazioni sufficientemente basse per scopi di comunicazione (circa 20 dB/km) e nello stesso tempo furono inventati i laser a semiconduttore in GaAs, compatti e quindi adatti per i sistemi di telecomunicazione in fibra ottica.

Dopo un periodo di intensa ricerca dal 1975 al 1980, furono sviluppati i primi sistemi commerciali di comunicazione su fibra ottica, che operavano a lunghezze d'onda intorni ai 800 nm ed usavano laser a semiconduttore in GaAs. La "prima generazione" operava a bitrate di 45 Mb/s, con ripetitori spaziati di 10 km.

La "seconda generazione" di comunicazione su fibra ottica fu sviluppata per uso commerciale nei primi anni 80, operava a 1.3 µm, e usava InGaAsP laser a semiconduttore. Sebbene questi sistemi erano inizialmente limitati da dispersione, nel 1981 la single-mode fiber si rivelò migliorare sostanzialmente la prestazione del sistema. Intorno al 1987, questi sistemi operavano a bitrate fino a 1.7 Gb/s con ripetitori distanziati fino a 50km.

La Terza generazione di sistemi in fibra operava a 1.55 µm con perdite di circa 0,2 dB/km. Il risultato fu ottenuto nonostante alcune difficoltà iniziali dovute all'allargamento degli impulsi alla lunghezza d'onda di lavoro utilizzando laser a semiconduttore tradizionali in InGaAsP. Gli scienziati superarono questo problema utilizzando fibre dispersion shifted che presentano il minimo di dispersione a 1.55 µm o limitando lo spettro dei laser ad un singolo modo longitudinale. Questi sviluppi consentirono ai sistemi commerciali di terza generazione di operare a 2.5 Gb/s, con ripetitori distanziati di oltre 100 km.

La quarta generazione di sistemi in in fibra introdusse l'amplificazione ottica per ridurre la necessità di ripetitori ed il Wavelength Division Multiplexing (WDM), per aumentare la capacità della fibra. Questi due miglioramenti causarono una rivoluzione che comportò un raddoppio della capacità dei sistemi ogni 6 mesi a partire dal 1992, fino a quando non fu raggiunta nel 2001 la capacità di 10 Tb/s. Recentemente sono state raggiunte bitrate di 14 Tb/s su una singola linea lunga 160 km, utilizzando amplificatori ottici.

L'obbiettivo della ricerca per la quinta generazione di comunicazioni in fibra ottica è quello di estendere l'intervallo di lunghezze d'onda su cui possono operare i sistemi WDM. La finestra convenzionale, nota come banda C, copre le lunghezze d'onda nell'intervallo 1.53-1.57 µm e la nuova "dry fiber" presenta basse perdite che promettono un'estensione della finestra fino ad un intervallo compreso tra i 1.30 ed i 1.65 µm.

Negli ultimi anni '90 e fino al 2000, l'industria delle comunicazioni ottiche venne associata alla bolla speculativa delle dot com. Promotori e compagnie di ricerca come la KMI e la RHK, prevederono un grande aumento della domanda di banda a causa dell'aumento dell'uso di Internet e la commercializzazione di vari servizi ad alto uso di banda, come il video on demand. Si prevedeva che il traffico IP sarebbe cresciuto esponenzialmente ad un tasso superiore di quanto non fosse aumentata la complessità dei circuiti integrati secondo la legge di Moore. Dall'esplosione della bolla speculativa fino al 2006 tuttavia, le tendenze principali nell'industria del settore sono stati il consolidamento dei marchi e l'offshoring della produzione per ridurre i costi.

Tecnologia

I moderni sistemi di telecomunicazione in fibra ottica includono un trasmettitore che converte il segnale elettrico in un segnale luminoso da inviare lungo la fibra, un cavo in fibra ottica che corre in condotte o dentro le pareti dei palazzi, numerosi tipi di amplificatori ad un ricevitore ottico che riconverte il segnale in elettrico. L'informazione trasmessa è tipicamente informazione digitale generata da computer , telefoni e TV digitale.

Trasmettitori

I trasmettitori più comunemente usati sono dispositivi a semiconduttore come i light-emitting diode (LED) ed i laser. La differenza tra LED e laser sta nel fatto che i LED producono luce incoerente, mentre i laser producono luce coerente. Per l'utilizzo nell'ambito delle telecomunicazioni, i trasmettitori ottici a semiconduttore devono essere progettati per essere compatti, efficienti ed affidabili ed al contempo lavorare nell'intervallo di lunghezze d'onda ottimali ed essere modulati ad altissima frequenza.

Nella sua forma più semplice, un LED è una giunzione p-n polarizzata in diretta, che emette luce attraverso emissione spontanea, un fenomeno noto come elettroluminescenza. La luce trasmessa è incoerente e caratterizzata da una larghezza spettrale abbastanza elevata, nell'ordine dei 30-60 nm. Inoltre la trasmissione di luce tramite LED è molto inefficiente, dato che solo circa l'1% della potenza in ingresso, o circa 100 µW, viene convertita in "potenza lanciata" che si accoppia in fibra. Tuttavia, a causa della loro struttura molto semplice, i LED son molto utili per applicazioni a basso costo.

I LED per comunicazioni sono comunemente fatti di arseniuro di gallio fosfato (GaAsP) o arseniuro di gallio (GaAs). Poiché i LED in GaAsP operano a lunghezze d'onda superiori a quelle dei LED in GaAs (1.3 µm, contro 0,81-0,87 µm), il loro spettro è più ampio di circa un fattore 1,7. La elevata larghezza spettrale dei LED causa una maggiore dispersione in fibra, che limita considerevolmente il loro prodotto distanza-bitrate (un comune parametro di efficienza per sistemi di trasmissione). I LED sono utili essenzialmente per applicazioni LAN con bitrate nell'ordine dei 10-100 Mb/s e distanze di trasmissione dell'ordine dei pochi chilometri. Sono stati anche sviluppati LED che utilizzano diverse "quantum well" per emettere luce a diverse lunghezze d'onda su uno spettro più ampio e sono attualmente utilizzati per reti in area local WDM.

Un laser a semiconduttore emette luce attraverso emissione stimolata, invece di usare l'emissione spontanea; questo comporta una maggiore potenza di uscita (~100 mW), oltre a numerosi altri vantaggi legati alla natura coerente della luce. L'uscita di un laser è relativamente direzionale, il che consente un'elevata efficienza di accoppiamento (~50%) in fibre a singolo modo. La limitata larghezza spettrale consente inoltre di trasmettere a bitrate più elevati, dato che riduce gli effetti della dispersione cromatica. Inoltre i laser a semiconduttore possono essere modulati direttamente ad elevata frequenza grazie ad un ridotto tempo di ricombinazione.

I diodi laser in alcuni casi sono modulati direttamente, ossia la modulazione viene impressa direttamente sulla corrente di alimentazione del dispositivo. Per bitrate e distanze elevati, tuttavia, la sorgente di laser viene lasciata operare in continua e la luce è modulata da un dispositivo esterno, come un modulatore ad elettroassorbimento o un interferometro di Mach-Zehnder. La modulazione esterna estende la distanza raggiungibile dal collegamento eliminando il chirp, che aumenta la larghezza di riga dei laser modulati direttamente e quindi aumenta la dispersione cromatica in fibra.

Fibra

Per approfondire, vedi la voce fibra ottica.

La fibra ottica consiste di un core, di un cladding e di un rivestimento esterno, che guidano la luce lungo il core mediante riflessione totale. Il core ed il cladding (caratterizzato da un indice di rifrazione superiore) sono tipicamente costruiti utilizzando vetro di silice di alta qualità, anche se possono teoricamente essere costituiti anche di materiale plastico. Una fibra ottica si può spezzare se piegata eccessivamente. A causa della precisione microscopica necessaria per allineare i core delle fibre, la connessione di due fibre richiede una tecnologia apposita, sia che sia effettuata mediante fusione che in modo meccanico. (EN) [1].

Le due principali tipologie di fibre ottiche utilizzate nelle telecomunicazioni sono le fibre multimodo e le fibre singolomodo. Le fibre multimodo hanno core più larghi (≥ 50 micron), che consentono di utilizzare trasmettitori, ricevitori oltre che connettori meno precisi e meno costosi. Tuttavia le fibre multimodo introducono dispersione modale che spesso limita la banda e la lunghezza del collegamento. Inoltre, a causa del suo maggiore contenuto di drogante, la fibra multimodo è solitamente più costosa e presenta un'attenuazione maggiore. Le fibre singolo modo hanno invece core più piccoli (9 micron) e necessitano di componenti e di connettori più costosi, ma consentono collegamenti più lunghi e performanti.

Allo scopo di ottenere prodotti commerciali, la fibra viene protetta mediante starti di polimeri acrilati (coating) e assemblata in cavi in fibra ottica. Una volta pronte le fibre possono essere interrate, possono correre attraverso edifici o essere poste in aria, similmente a quanto accade per i doppini in rame. Una volta depositate, le fibre richiedono una manutenzione inferiore rispetto ai cavi in rame.

Amplificatori

Per approfondire, vedi la voce amplificatore ottico.

La distanza di trasmissione di un sistema di comunicazione in fibra ottica è stata tradizionalmente limitata primariamente dall'attenuazione e secondariamente dalla distorsione. La soluzione fu quella di utilizzare ripetitori elettro-ottici. Questi ripetitori convertivano il segnale ottico in elettrico ed usavano un trasmettitore ottico per inoltrare il segnale con maggiore potenza. A causa della loro complessità il costo di questi ripetitori, specialmente con i WDM moderni e per il fatto che dovevano essere installati ogni circa 20 km, erano molto costosi.

Un approccio alternativo è quello di usare amplificatori ottici, che amplifichino direttamente il segnale senza la necessità di convertirlo in elettrico. Questi amplificatori sono ottenuti drogando una parte di fibra con minerali delle terre rare ed utilizzando un laser come pompa ad una lunghezza d'onda inferiore a quella usata per le comunicazioni (980 o 1350 nm circa). Oggi gli amplificatori hanno sostanzialmente rimpiazzato i ripetitori negli impianti di recente installazione.

Ricevitori

Il componente principale di un ricevitore ottico è il fotorivelatore che converte al luce in elettricità attraverso l'effetto fotoelettrico. Il fotorivelatore è tipicamente un fotodiodo a semiconduttore, come ad esempio un fotodiodo p-n, un fotodiodo p-i-n o un fotodiodo a valanga. Grazie alla semplicità di integrazione, sono usati anche i fotorivelatori MSN (metallo-semiconduttore-metallo), specialmente nei rigeneratori e nei multiplexer per WDM.

Il convertitore elettro-ottico è tipicamente accoppiato con un amplificatore a trasimpedenza ed un amplificatore limitante allo scopo di produrre un segnale digitale nel dominio elettrico a partire dal segnale ottico in ingresso, che può risultare attenuato e distorto dopo l'attraversamento del canale. Prima che i dati vengano inoltrati, è possibile che nei ricevitori venga implementato anche il recupero del clock dai dati mediante un PLL o via software.

Wavelength-Division Multiplexing (WDM)

Per approfondire, vedi la voce Wavelength Division Multiplexing.

Il Wavelength-Division Multiplexing (WDM) è la tecnica trasmettere su più lunghezze d'onda allo scopo di inviare più canali su una singola fibra. Questo richiede un multiplexer in lunghezza d'onda nel trasmettitore ed un demultiplexer al ricevitore. Per tale scopo sono comunemente usati gli AWG (Arrayed Waveguide Grating). Utilizzando le tecnologie WDM oggi disponibili commercialmente, la banda della fibra può essere suddivisa in anche 100 o 200 canali al fine di ottenere un bitrate combinato nell'ordine del terabit al secondo.

Prodotto Bitrate-Distanza

Poiché l'effetto della dispersione cresce all'aumentare della lunghezza della fibra, un sistema di trasmissione è spesso caratterizzato dal suo prodotto Bitrate-Distanza, espresso come MHz×km.. Questo parametro è utilizzato perché esiste un trade off tra la distanza percorsa e il bitrate supportato. Ad esempio una comune fibra multimodo con prodotto bitrate-distanza di 500 MHz×km può trasportare un segnale a 500 MHz per 1 km o un segnale a 1GHz per 0.5 km.

Limitazioni

Attraverso una combinazione di tecniche avanzate per la gestione della dispersione, del WDM e degli amplificatori ottici, le fibre ottiche moderne sono in grado di trasportare decine di informazione a decine di terabit al secondo su lunghezze di migliaia di chilometri. Ad oggi la ricerca sta cercando di ridurre l'impatto dei maggiori fattori che limitano le comunicazioni in fibra; i fattori su cui si sta concentrando la ricerca sono:

In particolare l'attenuazione delle fibre attuali si attesta intorno agli 0,2 dB/Km. Questo valore è molto inferiore a quello che garantisce qualunque mezzo utilizzato nelle trasmissioni elettriche; tuttavia l'attenuazione delle fibre in uso non può essere ulteriormente ridotta a causa di fenomeni fisici non eliminabili, primo tra tutti lo Scattering di Rayleigh. Per questo motivo è oggi in fase di sviluppo una nuova categoria di fibre, dette fibre a cristallo fotonico che si spera possano consentire attenuazione nell'ordine di 0,1 dB/km.

Confronto con le trasmissioni elettriche

La scelta fra trasmissioni ottiche ed elettriche (o"in rame") per un determinato tipo di sistema si basa su diversi compromessi. La fibra ottica è in generale scelta per sistemi a banda superiore o per distanze superiori a quelle che possono garantire i sistemi elettrici. I maggiori vantaggi della fibra sono le sue perdite eccezionalmente limitate, che consentono lunghe distanze tra amplificatori, e la sua intrinseca capacità di trasportare grandi quantità di informazione. Infatti per rimpiazzare una sola fibra sarebbero necessari migliaia di fili in rame. Un altro vantaggio della fibra è che più fibre possono correre fianco a fianco per migliaia di chilometri senza incorrere in fenomeni di crosstalk apprezzabili, a differenza di numerosi tipi di linee di trasmissione.

Nelle applicazioni su breve distanze e che richiedano banda limitata, spesso le comunicazioni sono preferibili a causa di

  • Minori costi per i materiali quando si desiderano quantità non molto elevate
  • Costo minore di trasmettitori e ricevitori
  • Facilità di giuntazione
  • Capacità di trasportare l'alimentazione elettrica insieme ai segnali

Grazie a questi vantaggi, le comunicazioni ottiche non sono molto diffuse in applicazioni a breve e brevissima distanza (LAN, trasmissioni da chip a chip), anche se è stato dimostrato che i sistemi ottici scalano anche su queste dimensioni.

In alcune situazioni, la fibra può anche essere usata su brevi distanze e dove sia richiesta poca banda; infatti la fibra presenta numerosi vantaggi tra cui:

  • Immunità alle interferenze elettromagnetiche
  • Alta resistenza elettrica che la rende sicura da usare vicino a strumenti ad alto voltaggio o tra aree in cui il riferimento di terra è diverso
  • Non produce scintille, caratteristica importante in ambienti infiammabili o ricchi di gas esplosivi
  • Maggiore leggerezza, utile ad esempio negli aeroplani
  • Assenza di radiazione elettromagnetica e quasi impossibilità di intercettare il segnale senza distruggerlo, importante in ambienti ad alta riservatezza
  • Cavi molto più piccoli e quindi adatti a spazi ridotti

Standard

Per garantire a diversi produttori di sviluppare componenti compatibili tra loro in sistemi di comunicazione in fibra ottica, sono stati sviluppati diversi standard. La International Telecommunications Union (ITU) pubblica diversi standard riguardanti le caratteristiche e le prestazioni delle fibre, tra cui

  • ITU-T G.651, "Caratteristiche di una fibra multimodo graded-index 50/125 µm"
  • ITU-T G.652, "Caratteristiche di una fibra singolo modo"

Altri standard, sviluppati da numerosi organismi di standardizzazione specificano le prestazioni di fibre, trasmettitori, ricevitori da usare insieme nei sistemi conformi alla specifica. Alcuni standard diffusi sono:

Voci correlate

Collegamenti esterni

  1. ^ Vivek Alwayn. Splicing in Fiber-Optic Technologies. Cisco Systems, 2004-04-23. URL consultato il 2006-12-31.
Estratto da "http://it.wikipedia.org/wiki/Comunicazioni_in_fibra_ottica"

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