Sistemi di comunicazione in fibra

Il campo delle comunicazioni con fibre ottiche è esploso negli ultimi due decenni. Nei moderni sistemi di comunicazione, vengono utilizzate fibre sottili come capelli costituite principalmente da vetro di silice. Le fibre ottiche si basano sul principio della riflessione totale interna che un raggio luminoso, entrando in una fibra di vetro secondo una direzione che forma un piccolo angolo con l’asse della fibra, subisce nella sua propagazione ogni volta che arriva all’interfaccia vetro-aria. L'articolo presenta i sistemi di comunicazione in fibra partendo da una breve analisi storica, inquadrando i processi fisici e le tecnologie che hanno decretato la loro diffusione come tecnologia a sé stante nel campo delle telecomunicazioni, e non solo. La trattazione si allarga presentando i sistemi di trasmissione e i principi alla base della comunicazione in fibra, per poi concludere con la presentazione di un classico schema di trasmissione in fibra.

Breve storia sulle fibre ottiche

Nel 1870, John Tyndall, servendosi di un getto d'acqua che scorre da un contenitore ad un altro e di un fascio di luce, e dirigendo il fascio di luce del sole verso il percorso dell'acqua, dimostra che la luce mediante la riflessione interna segue un determinato cammino a zig-zag all'interno del percorso curvo dell'acqua. Questo semplice esperimento (vedi Figura 1), più noto come effetto Tyndall, segna la prima ricerca nella trasmissione guidata della luce.

Figura 1: effetto Tyndall

Nel 1880, William Wheeling brevetta un metodo di trasferimento della luce denominato "piping light". Wheeling suppone che usando tubi a specchio che si dipartono da una singola sorgente di luce, come ad esempio un arco elettrico, possa indirizzare la luce verso diverse stanze allo stesso modo con cui si indirizza l'acqua con condutture di piombo. In effetti, mancando le tecnologie per produrre fasci luminosi (come in seguito con la lampadina di Edison), l'idea rimane tale.

Nello stesso anno, Alexander Graham Bell sviluppa un sistema ottico per la trasmissione della voce denominato fotofono (vedi Figura 2). Il fotofono usa la luce nello spazio libero per trasportare la voce umana a 200 metri. Degli specchi piazzati opportunamente riflettono la luce del sole in un diaframma inserito all'interno della bocca del fotofono. All'altra estremità, montato entro un riflettore parabolico, vi è un resistore al selenio sensibile alla luce. Detto resistore è connesso ad una batteria che, a sua volta, è collegata al ricevitore telefonico. Quando uno parla nel fotofono, il diaframma illuminato vibra convogliando le varie intensità di luce nel resistore al selenio. Il cambiare dell'intensità della luce altera la corrente che scorre attraverso il ricevitore telefonico che converte la luce in parole.

Figura 2: fotofono

La tecnologia della fibra ottica vede un grande tasso di progresso nella seconda metà del ventesimo secolo. I primi successi arrivano durante gli anni '50 con lo sviluppo del "fiber scope" (vedi Figura 3). Il fiber scope presto trova applicazioni in campo tecnico, come la verifica delle camere di combustione dei motori di aereo, e in campo medico, come nella laparoscopia. Le prime fibre ottiche sono caratterizzate da eccessive perdite ottiche (perdite del segnale luminoso che viaggia nella fibra) che limitano le distanze di trasmissione. Ciò spinge gli scienziati a sviluppare fibre che abbiano un rivestimento di vetro separato. La regione più interna della fibra, core, è usata per trasmettere la luce, mentre il rivestimento, cladding, mediante riflessione all'interno del confine del core, fa in modo che la luce non esca dal core (vedi Figura 4).

Figura 3: fiber scope

Figura 4: struttura fibra ottica

Lo sviluppo della tecnologia laser è un nuovo importante passo nell'affermazione dell'industria delle fibre ottiche. Solo il diodo laser (LASER, Light Amplification by Stimulated-Emission Radiation) o il suo "cugino" di bassa potenza, il diodo ad emissione di luce (LED, Light-Emitting Diode) hanno il potenziale per generare grandi quantità di luce in un fascio sottile da essere usato per le fibre ottiche. I laser, attraverso alcune generazioni, includono lo sviluppo del laser a rubino e il laser a elio-neon nel 1960. I laser a semiconduttore sono realizzati per la prima volta nel 1962 e sono il tipo maggiormente usato nelle fibre ottiche di oggi. Per la maggiore capacità di frequenza di modulazione, l'importanza del laser come mezzo per trasportare l'informazione è ben nota nelle tecniche di comunicazione. La luce ha una capacità di trasporto dell'informazione dieci mila volte superiore a quella delle più elevate frequenze utilizzate. Ma il laser è inutilizzabile per la trasmissione in spazio libero a causa delle avverse condizioni rappresentate dalla pioggia, nebbia e smog.

Charles Kao e Charles Hockham, lavorando presso gli Standard Telecommunication Laboratories in Inghilterra nel 1966, pubblicano un articolo in cui propongono l'impiego della fibra ottica come mezzo di trasmissione a patto che l'attenuazione possa essere mantenuta al di sotto di 20 dB/km. Al tempo di tale proposta, le fibre ottiche presentavano perdite di 1000 dB/km o più. A perdite di soli 20 dB/km, il 99% della luce può essere perduto in soli 3.300 piedi (circa 1000 metri). In altre parole, solo 1/100 della potenza luminosa che è stata trasmessa raggiunge il ricevitore. Intuitivamente, i ricercatori postulano che le alte perdite sono dovute a impurità nel vetro e non al vetro stesso.

La prima generazione di sistemi ottici, apparsa sul finire degli anni '70, fa uso di componenti optoelettronici in GaAs adatti a funzionare alla lunghezza d'onda di 0.85 µm (I finestra), e di fibre ottiche cosiddette multimodo, cioè in grado di far transitare il segnale secondo diverse modalità di propagazione. La capacità di questi sistemi è limitata soprattutto dall'intrinseca incapacità delle fibre multimodo di trattare segnali a larga banda. La seconda generazione, tipica degli anni '80, è caratterizzata da una lunghezza d'onda di funzionamento di 1.3 µm (II finestra) e da fibre in cui il modo di propagazione del segnale è unico (fibre monomodo). L’insieme di queste caratteristiche porta un enorme aumento nella capacità rispetto ai sistemi di I generazione, che è stata però ulteriormente migliorata dai sistemi di III generazione funzionanti nella zona di minima attenuazione della fibra (III finestra, λ₀ =1.55 µm per una attenuazione di circa 0.25 dB/km).

I sistemi delle generazioni attualmente in sviluppo sono ulteriormente orientati all'aumento della capacità; quelli di IV generazione promettono un aumento della sensibilità dei ricevitori attraverso diverse tecniche di rilevazione del segnale (sistemi coerenti o sistemi IM/DD con amplificatore ottico), mentre quelli che potrebbero costituire la V generazione (sistemi solitonici) si avvalgono delle proprietà di propagazione non lineare del segnale ottico in fibra per controbattere il fenomeno della dispersione cromatica e quindi aumentare la banda utile di trasmissione.

I sistemi di trasmissione punto-punto ad alta capacità su fibra godono di alcuni ulteriori vantaggi nei confronti dei concorrenti su cavo in rame o via radio, derivanti immediatamente dalla natura stessa del portante. I cavi in fibra presentano infatti peso, dimensione e, in alcuni casi, costo ridotto rispetto ai cavi in rame, e sono anche insensibili alle interferenze elettromagnetiche (caratteristica assai importante per applicazioni militari o in ambienti ad alto inquinamento elettromagnetico). Inoltre, assai difficilmente è possibile intercettare messaggi su cavi in fibra senza compromettere l'integrità del collegamento (cosa invece possibile con i cavi in rame o i collegamenti radio). Viceversa, la tecnologia necessaria per fabbricare e stendere i cavi in fibra, nonché dotarli di connettori, è più delicata di quella relativa ai cavi in rame, specialmente per applicazioni a bassa capacità e, quindi, basso costo.

Sistemi ottici di trasmissione

Nel progetto di un sistema di trasmissione, il cui scopo basilare è il trasferimento da una sorgente ad un utilizzatore di un segnale portatore di informazione, devono essere sfruttate al meglio le risorse caratteristiche del mezzo fisico che consente l’effettuazione del collegamento, detto mezzo portante (o semplicemente portante). Sia dal punto di vista squisitamente tecnico che da quello economico, le risorse di maggiore importanza sono la larghezza di banda e la potenza del segnale necessarie per effettuare una data trasmissione.

Nell'ambito dei sistemi di comunicazione numerica, la larghezza di banda di un portante è immediatamente collegata alla massima velocità di segnalazione (e quindi di trasmissione dell’informazione) che il portante stesso è in grado di supportare. Inoltre, per effetto dei disturbi che accompagnano la trasmissione e la ricezione del segnale (rumore elettronico, interferenze, etc.), ogni ricevitore è caratterizzato da un livello di sensibilità, cioè da una potenza minima del segnale ricevuto che garantisce il raggiungimento di determinate specifiche di qualità del servizio, tipicamente un certo rapporto segnale/rumore, un fissato tasso d’errore sul bit, una determinata probabilità di perdita di pacchetti di bit o grandezze similari. Questo secondo aspetto pone delle limitazioni inferiori alla potenza trasmessa, date le caratteristiche di attenuazione del segnale da parte del portante utilizzato.

Le due risorse citate possono essere sfruttate al meglio con un opportuno progetto dei metodi di trasmissione e ricezione; ad esempio, l’efficienza spettrale di una trasmissione può essere migliorata ricorrendo a modulazioni multi livello, mentre l’efficienza energetica può aumentare usando modulazioni codificate o codici a protezione d’errore. Tuttavia, ogni mezzo portante è intrinsecamente caratterizzato da limitazioni fondamentali di carattere fisico sulla banda e/o sull'attenuazione, che non possono essere oltrepassate. L’evoluzione nell'efficienza dei sistemi di telecomunicazione procede dunque per miglioramento lento e continuo all'interno del ciclo di vita di un certo tipo di tecnologia collegata ad un certo portante, alternato a bruschi salti corrispondenti all'introduzione di nuovi e più capaci portanti.

Figura 5: spettro radiazione elettromagnetica

La trasmissione ottica nasce assecondando la tendenza generale del settore delle telecomunicazioni di sviluppare tecnologie per mezzi portanti a frequenza sempre maggiore, e quindi con capacità trasmissive sempre maggiori. Se prendiamo in considerazione lo spettro della radiazione elettromagnetica mostrato in Figura 5, notiamo che, al di là delle onde centimetriche caratteristiche dei sistemi a microonde (satelliti, ponti radio) attualmente limitati a frequenze inferiori ai 30 GHz (λ₀= 1 cm), abbiamo le cosiddette onde millimetriche (λ₀ da 10 a 1 mm) usate nel campo del rilevamento ambientale e che si stanno affacciando solo recentemente nel settore delle radiocomunicazioni. Quindi la radiazione del cosiddetto infrarosso lontano (λ₀ circa compreso tra 1000 e 10 µm) e infrarosso vicino (λ₀ da 10 a 0.76 µm) ove l'aggettivo si riferisce alla minore o maggiore prossimità alla zona compresa tra gli 0.38 e gli 0.76 µm della radiazione visibile.

La zona dell'infrarosso vicino è quella di interesse per le comunicazioni ottiche perché le fibre in materiali vetrosi silicei presentano in questa zona la massima trasparenza al segnale (cioè la minima attenuazione). Fortunatamente, è stato anche possibile sviluppare componenti miniaturizzati a semiconduttore ad alta affidabilità funzionanti in questa banda e utilizzabili come sorgenti e rilevatori di segnali ottici.

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