La tecnologia delle fibre ottiche

I sistemi di trasmissione basati sull’utilizzo delle fibre ottiche hanno rivoluzionato l’industria delle telecomunicazioni e non solo. La diffusione di questa tecnologia ha interessato altri settori tecnologici e scientifici, che hanno potuto beneficiare di canali di comunicazione in grado di coprire distanze superiori rispetto ai sistemi di comunicazione tradizionali, con un tasso di errore nettamente inferiore e, soprattutto, con velocità di trasmissione dati di gran lunga superiori. Grazie ai vantaggi appena menzionati (e ad altri ancora), i sistemi di comunicazione basati su fibra ottica sono oggi largamente utilizzati in numerosi settori, dalle infrastrutture per le telecomunicazioni su larga scala (le dorsali, o “backbone”), alle reti Ethernet a banda larga, fino ai settori automotive e biomedicale.

Introduzione

Sin dai suoi albori, il mondo delle telecomunicazioni ha costantemente cercato di innalzare sia la velocità di trasferimento dei dati, che l’ampiezza di banda disponibile. I primi sistemi di trasmissione erano basati su linee composte da singoli cavi di rame; con il tempo, questi sono stati progressivamente sostituiti con cavi coassiali, in grado di abilitare la trasmissione di più canali sullo stesso supporto fisico. Se da un lato si potevano raggiungere velocità di trasferimento sufficienti a supportare l’incalzante esigenza di larga banda (spinta soprattutto dalla diffusione globale della rete internet), rimaneva da affrontare il problema posto dall’ampiezza di banda, che si manteneva limitata. Per offrire sempre più servizi e raggiungere un numero crescente di clienti, era infatti necessario incrementare continuamente il numero di cavi installati, con costi di posa ed esercizio molto consistenti. Aumentò di conseguenza l’interesse verso i sistemi di trasmissione ottici, molto promettenti sia a livello di velocità che di larghezza di banda.

Il primo impulso in questa direzione risale agli anni ’60, con lo sviluppo e i primi risultati pratici ottenuti dalla tecnologia LASER. Un ulteriore passo avanti fu compiuto nel decennio successivo, quando si riuscì a realizzare la prima fibra ottica in grado di trasmettere senza una significativa perdita del segnale. Questi primi successi, incoraggiarono l’attività di ricerca, e videro il proliferare in tutto il mondo di laboratori di ricerca e sviluppo dedicati alle applicazioni fotoniche. Si arrivò così alla realizzazione del primo sistema di telecomunicazioni su fibra ottica: utilizzando una lunghezza d’onda di 0,5 mm, fu possibile trasmettere dati con successo su una tratta lunga 45 km e con un data rate di 45 Mbps. Oggi le prestazioni ottenibili sono nettamente superiori, ma stiamo pur sempre parlando della fine degli anni ’70! Da allora, la tecnologia delle fibre ottiche ha compiuto progressi importanti: le velocità di trasmissione sono aumentate e, soprattutto, sono migliorate le performance del suppoto utilizzato per la trasmissione: la fibra ottica (tanto per farsi un’idea, oggi è possibile raggiungere data rate di 10 Tbps o anche superiori). In Figura 1 possiamo osservare una comparazione tra le dimensioni di un fascio di cavi trasmissivi di tipo tradizionale e una fibra ottica, in grado di trasmettere la stessa quantità di dati (l’ampiezza di banda virtuale delle due soluzioni è la stessa).

Figura 1 – l'evidente compattezza della soluzione basata su fibra ottica

Figura 1: l'evidente compattezza della soluzione basata su fibra ottica

All’epoca in cui furono sviluppati i primi sistemi di trasmissione su fibra ottica, si riteneva che i cavi e la tecnologia stessa avessero e mantenessero nel futuro dei costi proibitivi. In realtà questa assunzione non si è avverata: con il proliferare degli impianti in grado di fabbricare fibre ottiche, il costo è sceso drasticamente, e oggi questa tecnologia rappresenta l’unica soluzione percorribile per molti tipi di applicazioni nel campo delle telecomunicazioni e non solo.

I principali vantaggi della fibra ottica

Diversi sono i motivi per i quali le fibre ottiche vengono oggi utilizzate con successo. Eccone alcuni:

  • attenuazione del segnale molto ridotta, soprattutto se comparata a quella dei cavi di tipo tradizionale. Questo vantaggio è fondamentale nei sistemi di comunicazione a lunga distanza (long haul), in quanto consente di ridurre il numero di ripetitori necessari per “rafforzare” il segnale, compensando le perdite legate alla trasmissione;
  • ampiezza di banda molto elevata rispetto ai cavi tradizionali: a parità di sezione del cavo fisico, la quantità di dati che possono essere trasferiti è elevatissima. Non solo, la tecnologia attuale permette anche di trasmettere su una stessa fibra più canali distinti (ognuno caratterizzato da una propria lunghezza d’onda), incrementando ulteriormente l’ampiezza di banda;
  • i cavi in fibra ottica sono molto più leggeri dei corrispondenti cavi coassiali, agevolando l’installazione e la posa degli stessi. Osservando la Figura 2 possiamo facilmente renderci conto delle dimensioni delle fibre ottiche, messe a confronto con una monetina da 1 centesimo di Euro;
  • i cavi in fibra ottica, rispetto a quelli coassiali, sono meno soggetti a fenomeni di interferenza elettromagnetica (EMI), presentano una migliore immunità al rumore, e non sono generano scintille.
Figura 2 – si notino le dimensioni estremamente ridotte delle fibre ottiche

Figura 2: le dimensioni delle fibre ottiche sono estremamente ridotte

I sistemi di trasmissione su fibra ottica

Un sistema di trasmissione basato sull’utilizzo di fibre ottiche è in genere composto da un certo numero di componenti differenti, che possiamo così riassumere:

  • trasmettitore;
  • fibra ottica;
  • ricevitore;
  • ripetitore.

Il tipo e le caratteristiche tecniche di questi componenti variano in base alla specifica applicazione. Il trasmettitore ha la funzione di generare una sorgente luminosa opportunamente modulata in modo tale da “codificare” gli stati logici 0 e 1. Convenzionalmente, un impulso di luce indica lo stato logico 1, mentre la sua assenza lo stato logico 0. Il fascio luminoso viene trasmesso all’interno di un cavo finissimo (realizzato con un sottile strato di vetro o di materiale plastico con caratteristiche simili), sino a raggiungere il ricevitore (detto anche rivelatore). Quest’ultimo converte gli impulsi di luce in impulsi elettrici equivalenti, ed è così possibile risalire allo stream di dati trasmessi in origine.

Il trasmettitore

E’ il componente che genera l’emissione luminosa che, opportunamente modulata, consente la trasmissione di dati (sequenza di 0 e 1) all’interno della fibra ottica. I primi trasmettitori furono realizzati con dei potenti LASER, mentre oggi vengono impiegati dei semiconduttori come i LED e i diodi laser. Il tipo più semplice di trasmettitore è il LED, che inoltre è anche molto economico. I LED, tuttavia, presentano alcuni svantaggi, tra i quali ricordiamo:

  • bassa efficienza: la quantità di potenza trasmessa nella fibra ottica può arrivare sino all’ 1% della potenza totale in ingresso al diodo led, e ciò significa che sono necessari dei driver di alta potenza per fornire la quantità di energia luminosa richiesta per coprire lunghe distanze;
  • i LED per loro natura generano un tipo di luce incoerente (e scarsamente direzionale) su uno spettro di ampiezza compresa tra circa 30 e 60 nm. Ciò significa che ogni dispersione cromatica nella fibra limiterà l’ampiezza di banda del sistema.

In virtù di queste limitazioni, i trasmettitori a LED vengono normalmente utilizzati in applicazioni di reti locali, con data rate tipici di 100 Mbps e distanze di alcuni chilometri. In tutte le applicazioni in cui sono richiesti livelli di performance superiori (necessità di coprire distanze maggiori con [...]

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Una risposta

  1. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio Di Paolo Emilio 16 dicembre 2016

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