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Iquadernidi<br />
A cura di Alberto Mucci<br />
Le nuove tecnologie<br />
fotoniche<br />
L’<br />
Italia ha fatto bella figura al “vertice” UE di Viterbo dei M<strong>in</strong>istri <strong>del</strong>la Comunicazione<br />
e <strong>del</strong>la Innovazione, “vertice” dedicato a fare <strong>il</strong> punto sui progressi<br />
compiuti verso l’obiettivo “una società <strong>del</strong>l’<strong>in</strong>formazione per tutti”<br />
(Consiglio straord<strong>in</strong>ario di Lisbona <strong>del</strong> marzo 2000).<br />
I progressi riguardano fra l’altro l’ut<strong>il</strong>izzo crescente <strong>del</strong>la fibra ottica nelle reti<br />
di accesso (utenti a casa). I 12 m<strong>il</strong>a 700 utenti (al 31 luglio 2003) con fibra ottica a<br />
casa sono dest<strong>in</strong>ati ad aumentare progressivamente di numero ed a stimolare<br />
ulteriori <strong>in</strong>novazioni, diversi e sempre più sofisticati ut<strong>il</strong>izzi.<br />
La prospettiva è allettante. Con le nuove tecnologie fotoniche si avranno grossi<br />
miglioramenti nell’elaborazione <strong>del</strong>le <strong>in</strong>formazioni e nell’ut<strong>il</strong>izzo di dispositivi<br />
vari, che vanno dalla sensoristica alla sicurezza. La fibra ottica permetterà di avere<br />
a disposizione una banda larga ancora più larga <strong>del</strong>l’attuale, per la trasmissione<br />
ad altissima velocità di dati, cifre, <strong>in</strong>formazioni, ecc.<br />
Questo “Quaderno” si propone di spiegare, con l’<strong>in</strong>tervento di “addetti al lavoro”,<br />
le ricadute operative <strong>del</strong>l’ut<strong>il</strong>izzo <strong>del</strong>le nuove tecnologie fotoniche. Della banda<br />
larga abbiamo detto: l’obiettivo si avvic<strong>in</strong>a. E ancora: si potranno realizzare calcolatori<br />
ottici che permetteranno di avere una velocità di impiego molto più alta di<br />
quella che si ha oggi con l’elettronica (l’ottica sostituisce l’elettronica come <strong>il</strong> fotone<br />
sostituisce l’elettrone).<br />
Altro settore: la costruzione di sensori che permetteranno di monitorare <strong>in</strong> maniera<br />
efficiente l’ambiente che ci circonda. E ancora: la telemedic<strong>in</strong>a, che con la<br />
nuova tecnologia permetterà <strong>in</strong>terventi a distanza e <strong>il</strong> monitoraggio <strong>del</strong>la salute<br />
di ognuno di noi.<br />
Fantascienza? No. Sono le prospettive <strong>del</strong>l’<strong>in</strong>novazione che avanzano. E nella<br />
quale l’Italia vuole svolgere un ruolo positivo e propositivo<br />
SUPPLEMENTO AL NUMERO DI OTTOBRE N. 211 DI MEDIA DUEMILA
INDICE<br />
L’Ottica per <strong>il</strong> r<strong>il</strong>ancio <strong>del</strong> Paese<br />
Sistemi di trasmissione su Fibra Ottica<br />
Le reti di telecomunicazione verso “<strong>il</strong> tutto ottico”<br />
La Trasmissione a 40 Gb/s per le nuove comunicazioni<br />
Le nanotecnologie per la fotonica<br />
I cristalli fotonici<br />
Elettronica organica per optoelettronica<br />
I laser a semiconduttore<br />
Microdispositivi fotonici <strong>in</strong> Niobato di Litio<br />
La conversione tutta ottica di frequenza<br />
I Fotorifrattivi<br />
Il piano di controllo ottico <strong>del</strong>le reti ASON/GMPLS<br />
La fotonica nei sistemi radar di nuova generazione<br />
Satellite e fibra per la larga banda a tutti<br />
Sensori <strong>in</strong> fibra ottica per <strong>il</strong> monitoraggio strutturale<br />
I cristalli liquidi: la tecnologia <strong>del</strong>lo stato <strong>del</strong>icato <strong>del</strong>la materia<br />
Generazione di impulsi ultracorti per trasmissioni ed elaborazioni<br />
ottiche ad altissima velocità<br />
Il Quaderno è stato realizzato dalla <strong>Fondazione</strong> Ugo Bordoni (Presidente <strong>il</strong> Prof. Giordano Bruno<br />
Guerri, Direttore Generale <strong>il</strong> Consigliere Guido Salerno). Coord<strong>in</strong>atore <strong>del</strong> Quaderno l’<strong>in</strong>g.<br />
Francesco Matera. Hanno collaborato: Andrea Bonati, Alcatel Italia; Sarac<strong>in</strong>o Sante, Siemens-<br />
CNX Spa; Raoul Fiorone, Marco Camera, Marconi Communications; Massimo Gent<strong>il</strong>i, Pirelli<br />
Labs; Giorgio Maria Tosi Beleffi, <strong>Fondazione</strong> Ugo Bordoni; Andrea Reale, Marco Berliocchi, Aldo<br />
Di Carlo, Università di Roma Tor Vergata; Faust<strong>in</strong>o Martelli, INFM Trieste; Federico Lucchi,<br />
Valerio Pruneti, Avanex Corporation; Paola Griggio, Università di Padova; Alessandro Schiaff<strong>in</strong>i<br />
Pirelli, LABS; Sergio Cascelli, ISCTI: Antonio Manzal<strong>in</strong>i, Telecom Italia Lab; Mauro Varasi, AMS<br />
Roma; Lorenzo Ronzitti, Telespazio s.p.a.; Andrea Fellegara, Michele A. Caponero, Antonio<br />
Paolozzi; Antonio D’Alessandro, Rita Asqu<strong>in</strong>i, Università “La Sapienza” – INFM; Giancarlo Prati,<br />
Ernesto Ciaramella, Antonella Bogoni, Giampiero Contestab<strong>il</strong>e, Luca Poti, Scuola S. Anna, Pisa.<br />
Sono usciti:<br />
“Il futuro <strong>del</strong>le telecomunicazioni” luglio/agosto 2002<br />
“La transizione verso <strong>il</strong> digitale terrestre” settembre 2002<br />
“Un web per tutti. L’accessib<strong>il</strong>ità di Internet” ottobre 2002<br />
“Wi-Fi. Come – quando – perché” novembre 2002<br />
“I satelliti nella società multimediale” dicembre 2002/gennaio 2003<br />
“Telefonia mob<strong>il</strong>e e emissioni elettromagnetiche” febbraio 2003<br />
“Le reti di telecomunicazioni diventano <strong>in</strong>telligenti” marzo 2003<br />
“Mentre viaggi lavori con Internet” apr<strong>il</strong>e 2003<br />
“Come garantire sicurezza con lo sv<strong>il</strong>uppo di Internet” maggio 2003<br />
“Le macch<strong>in</strong>e che parlano” giugno 2003<br />
“Le macch<strong>in</strong>e che capiscono” luglio/agosto 2003<br />
“Il progresso tecnologico fra brevetti e standard” settembre 2003<br />
“La rendicontazione? Automatica, ma…” ottobre 2003<br />
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Le tecnologie ottiche stanno avendo<br />
una penetrazione sempre più profonda<br />
nella nostra vita, anche se spesso<br />
non ce ne accorgiamo personalmente.<br />
Non facciamo uno specifico riferimento al<br />
campo medico, dove <strong>il</strong> progresso è per tutti<br />
tangib<strong>il</strong>e, bensì ai campi <strong>del</strong>le telecomunicazioni<br />
e <strong>del</strong> monitoraggio, sia sull’ambiente che<br />
sull’uomo stesso, dove non sempre è visib<strong>il</strong>e<br />
la presenza dei processi ottici.<br />
Questa espansione risiede nel fatto che l’ottica<br />
permette <strong>il</strong> trasporto di immense quantità<br />
di <strong>in</strong>formazioni. I fotoni, con tutte le loro possib<strong>il</strong>i<br />
frequenze, ci permettono di percepire un<br />
mondo fantasticamente pieno di colori e le immag<strong>in</strong>i<br />
che percepiamo sono straord<strong>in</strong>ariamente<br />
grandi <strong>in</strong> term<strong>in</strong>i di <strong>in</strong>formazione contenuta.<br />
F<strong>in</strong>o all’avvento <strong>del</strong>la televisione queste<br />
<strong>in</strong>formazioni non potevano essere trasmesse<br />
perché la velocità dei componenti elettronici<br />
era ancora lenta rispetto a quella richiesta per<br />
<strong>il</strong> trattamento <strong>del</strong>le immag<strong>in</strong>i. Con l’<strong>in</strong>troduzione<br />
di dispositivi elettronici sempre più ve-<br />
le nuove tecnologie fotoniche<br />
L’Ottica per <strong>il</strong> r<strong>il</strong>ancio <strong>del</strong> Paese<br />
novembre 2003<br />
loci, <strong>il</strong> trattamento <strong>del</strong>le immag<strong>in</strong>i si è perfezionato<br />
garantendo non solo una elaborazione,<br />
e qu<strong>in</strong>di una qualità, sempre più raff<strong>in</strong>ata,<br />
ma anche e soprattutto la possib<strong>il</strong>ità di una<br />
trasmissione reciproca tra utenti: esempi di video-comunicazione<br />
sono oggi sotto gli occhi<br />
di tutti, anche su term<strong>in</strong>ali mob<strong>il</strong>i (telefonia di<br />
terza generazione).<br />
Proprio per garantire un passaggio fluido e<br />
cont<strong>in</strong>uo di queste grandi quantità di <strong>in</strong>formazioni,<br />
le reti di telecomunicazione dovranno<br />
essere sempre più potenti. Le attuali <strong>in</strong>frastrutture<br />
evidenziano altresì limiti profondi <strong>in</strong> questa<br />
direzione perché l’elaborazione dei segnali<br />
è ancora <strong>in</strong>tr<strong>in</strong>secamente basata su dispositivi<br />
elettronici che, per quanto veloci, sono sempre<br />
lenti rispetto ai processi ottici. Per dare un’idea<br />
possiamo dire che l’elettronica oggi permette <strong>il</strong><br />
processamento di segnali con una velocità <strong>in</strong>torno<br />
ai 40 Gb/s, cioè <strong>in</strong> un secondo possono<br />
essere elaborati 40 m<strong>il</strong>iardi di bit; questa velocità<br />
è immensa ma lenta se confrontata con i<br />
flussi di <strong>in</strong>formazione che potrebbero essere<br />
scambiati tra città che fanno profondamente<br />
I laboratori di ottica <strong>del</strong>l’Istituto Superiore <strong>del</strong>le Comunicazioni e <strong>del</strong>le Tecnologie <strong>del</strong>l’Informazione (ISCTI) e <strong>del</strong>la <strong>Fondazione</strong> Ugo Bordoni.<br />
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68<br />
I QUADERNI DI TELÈMA<br />
uso <strong>del</strong>la video-comunicazione, ovvero flussi<br />
<strong>in</strong> grado di raggiungere una capacità di migliaia<br />
di Gb/s.<br />
Per superare la “lentezza” <strong>del</strong>l’elettronica<br />
oggi si pensa all’ut<strong>il</strong>izzo di una elaborazione<br />
completamente ottica dei segnali. È ancora<br />
presto per parlare <strong>del</strong>la commercializzazione<br />
dei calcolatori ottici, ma nei laboratori sono<br />
stati già sperimentati semplici circuiti ottici che<br />
permettono di elaborare segnali con una velocità<br />
<strong>del</strong>l’ord<strong>in</strong>e <strong>del</strong> cent<strong>in</strong>aia di migliaia di<br />
Gb/s.<br />
Come abbiamo accennato le applicazioni<br />
<strong>del</strong>l’ottica sono vastissime e non solo nel campo<br />
<strong>del</strong>le telecomunicazioni. Molteplici esempi<br />
sono evidenti nel campo <strong>del</strong>l’avionica, per la<br />
gestione e la manutenzione degli aerei, <strong>del</strong>la<br />
sicurezza, grazie ad una sensoristica sempre<br />
più evoluta, per non parlare poi <strong>del</strong>le applicazioni<br />
mediche, <strong>in</strong>dustriali, m<strong>il</strong>itari e ambientali<br />
e degli <strong>in</strong>terventi per <strong>il</strong> recupero artistico dei<br />
monumenti. Per dare <strong>del</strong>le semplici idee la fibra<br />
ottica è di per se un buon sensore per la<br />
temperatura e la pressione, <strong>in</strong>oltre fasci laser<br />
permettono di realizzare sistemi di allarme<br />
connessi a reti <strong>in</strong> fibra che, con l’aus<strong>il</strong>io di telecamere,<br />
sono <strong>in</strong> grado di garantire la sorveglianza<br />
di vasti ambienti.<br />
Le applicazioni mediche <strong>del</strong>l’ottica richiederebbero<br />
un libro a parte, qui elenchiamo<br />
semplicemente le tecniche endoscopiche,<br />
sempre meno <strong>in</strong>vasive per <strong>il</strong> paziente, e l’uso<br />
<strong>del</strong> laser, sia come strumento chirurgico che<br />
come strumento di cura. Nel campo <strong>del</strong>la<br />
meccanica, l’ottica può essere ut<strong>il</strong>izzata per<br />
applicazioni <strong>in</strong>dustriali quali <strong>il</strong> taglio dei metalli<br />
o le saldature, grazie all’ut<strong>il</strong>izzo di potenti<br />
laser, ed <strong>il</strong> controllo di processi micrometrici.<br />
Per le applicazioni m<strong>il</strong>itari forse tutti<br />
si aspettavano <strong>il</strong> laser come arma strategica e<br />
<strong>in</strong>vece l’ottica ha permesso di sv<strong>il</strong>uppare<br />
tante altre tecniche che vanno dal puntamento<br />
automatico alla realizzazione di circuiti<br />
per sistemi radar. Le radiazioni lum<strong>in</strong>ose<br />
possono <strong>in</strong>oltre essere ut<strong>il</strong>izzate per <strong>il</strong> monitoraggio<br />
<strong>del</strong>l’<strong>in</strong>qu<strong>in</strong>amento ambientale ed,<br />
<strong>in</strong> f<strong>in</strong>e, <strong>il</strong> laser può anche rivelarsi un ottimo<br />
strumento per la pulizia ed <strong>il</strong> recupero di opere<br />
artistiche.<br />
In questo <strong>quaderno</strong> non potevamo trattare<br />
contemporaneamente tutti questi aspetti e abbiamo<br />
preferito concentrarci su alcuni argomenti<br />
<strong>in</strong> genere più att<strong>in</strong>enti al campo <strong>del</strong>le<br />
telecomunicazioni, e questo per una ragione<br />
di base: le telecomunicazioni a larga banda<br />
porteranno ad una rivoluzione sociale e l’ottica<br />
sarà uno degli strumenti essenziali di questo<br />
processo: ogni cittad<strong>in</strong>o, di ogni estrazione<br />
sociale e localizzato <strong>in</strong> ogni area <strong>del</strong> paese potrà<br />
accedere ad un universo culturale vastissimo,<br />
un tempo riservato solo a pochissime persone.<br />
Il piano e-Europe prevede che entro <strong>il</strong><br />
2005 tutte le amm<strong>in</strong>istrazioni dovranno essere<br />
connesse con accessi a larga banda e almeno<br />
<strong>il</strong> 50% <strong>del</strong>le connessioni <strong>in</strong>ternet dovrà possedere<br />
questo tipo di caratteristica. Questo significa<br />
che nei prossimi due anni avremo, solo <strong>in</strong><br />
Italia, m<strong>il</strong>ioni di connessioni a larga banda; i<br />
risultati attuali sembrano confortanti visto che,<br />
solo nel periodo luglio 2002-luglio 2003, nel<br />
nostro Paese abbiamo avuto circa un m<strong>il</strong>ione<br />
e 300 m<strong>il</strong>a nuovi accessi a larga banda. Questo<br />
significa che avremo sempre più necessità di<br />
reti ad altissima capacità.<br />
L’ottica potrà contribuire a colmare molte<br />
lacune <strong>del</strong> mondo <strong>del</strong>la comunicazione e prima<br />
tra tutte quella <strong>del</strong>l’arretratezza tecnologica<br />
di molte aree (digital divide), e questo grazie<br />
alla <strong>in</strong>troduzione di sistemi con una capacità<br />
sempre più alta e a un prezzo sempre più<br />
basso, che permetteranno una migliore diffusione<br />
<strong>del</strong>le tecniche digitali. In particolare<br />
l’ottica, <strong>in</strong>tegrata con altre tecnologie come<br />
ad esempio quelle radio e <strong>in</strong> rame, potrà permettere<br />
la connessione a larga banda di piccoli<br />
comuni, comunità montane, centri rurali,<br />
isole e tutti quei luoghi che mostrano grandi<br />
difficoltà dal punto di vista orografico. Per fare<br />
degli esempi ci riferiamo ai sistemi di telecomunicazione<br />
ottici <strong>in</strong> aria libera (wireless),<br />
che già oggi permettono la connessione ad<br />
altissima capacità tra centri situati a distanze<br />
<strong>del</strong>l’ord<strong>in</strong>e <strong>del</strong> cent<strong>in</strong>aio di metri. Tali distanze<br />
potranno essere fortemente allungate con<br />
l’<strong>in</strong>troduzione di nuovi laser, come sarà descritto<br />
<strong>in</strong> questo stesso <strong>quaderno</strong>. Oggi le trasmissioni<br />
satellitari a larga banda sono già<br />
una realtà e rappresentano la pr<strong>in</strong>cipale soluzione<br />
per molte aree disagiate, ma le potenzialità<br />
sono assai maggiori se si pensa alla <strong>in</strong>tegrazione<br />
con sistemi <strong>in</strong> fibra (fibra-satellite).<br />
Inf<strong>in</strong>e pensiamo alle comunicazioni radio<br />
che oggi sono anche un importante mezzo di<br />
accesso a larga banda (sistemi WI-FI e<br />
UMTS); sicuramente le comunicazioni ottiche<br />
possono dare un grande contributo a queste<br />
tecnologie <strong>in</strong> quanto permettono la realizzazione<br />
di collegamenti <strong>in</strong> fibra ottica molti lunghi<br />
tra le antenne e le stazioni radio base (sistemi<br />
radio over fibre).<br />
Iquadernidi
La fibra ottica a casa <strong>del</strong>l’utente è ormai una<br />
realtà per gli abitanti di alcune città italiane, sicuramente<br />
non sarà una possib<strong>il</strong>ità immediata<br />
per tutto <strong>il</strong> Paese, ma è certo che la fibra si avvic<strong>in</strong>erà<br />
sempre di più alle nostre abitazioni.<br />
Questa diffusione è fortemente legata a tutta<br />
una serie di servizi e applicazioni che sono <strong>in</strong><br />
cont<strong>in</strong>ua evoluzione e che fanno sentire ad ogni<br />
utente l’esigenza di avere un collegamento<br />
a larga banda.<br />
Occorre <strong>in</strong>oltre precisare che avere una fibra<br />
nei pressi <strong>del</strong>la nostra casa è risorsa di cui<br />
oggi ancora non si riesce a cogliere pienamente<br />
<strong>il</strong> significato; i collegamenti <strong>in</strong> fibra ci portano<br />
oggi a casa flussi <strong>del</strong>l’ord<strong>in</strong>e <strong>del</strong> Mb/s, che<br />
sono certamente più che sufficienti per le attuali<br />
esigenze. Ma ogni s<strong>in</strong>gola fibra può portare<br />
capacità enormemente più grandi ed <strong>in</strong><br />
particolare moltissimi canali. Una realtà che<br />
Apartire dalla f<strong>in</strong>e degli anni ’80,<br />
quando le caratteristiche <strong>del</strong>la fibra<br />
ottica <strong>in</strong> s<strong>il</strong>ice e la disponib<strong>il</strong>ità<br />
di amplificatori ottici hanno<br />
permesso la realizzazione dei primi collegamenti<br />
transoceanici ad alta velocità, la tecnologia<br />
dei sistemi di trasmissione su fibra<br />
ottica ha subito una progressiva e rapida evoluzione,<br />
p<strong>il</strong>otata dalle pressanti richieste<br />
di capacità di traffico sempre più elevate.<br />
Per soddisfare queste esigenze sono state ut<strong>il</strong>izzate<br />
sia la tecnica di multiplazione a divisione<br />
di frequenza (che, nell’ambito dei<br />
sistemi di trasmissione su fibra ottica, prende<br />
<strong>il</strong> nome di multiplazione a divisione di<br />
lunghezza d’onda, Wavelength Division<br />
Multiplex<strong>in</strong>g, WDM), sia quella a divisione<br />
di tempo (Time Division Multiplex<strong>in</strong>g,<br />
TDM), che hanno portato ad uno sfruttamento<br />
sempre più efficiente <strong>del</strong>le caratteristiche<br />
offerte dal mezzo trasmissivo (attualmente<br />
la capacità trasmissiva totale su s<strong>in</strong>gola<br />
fibra supera <strong>il</strong> Tb/s). Questo sv<strong>il</strong>uppo<br />
è stato comunque reso possib<strong>il</strong>e da una fervida<br />
attività di ricerca nel settore <strong>del</strong>la componentistica<br />
necessaria per l’implementazione<br />
di tali sistemi, attività che sta rendendo<br />
peraltro sempre più concreta la possib<strong>il</strong>ità,<br />
presa <strong>in</strong> considerazione <strong>in</strong> questi ultimi<br />
le nuove tecnologie fotoniche<br />
molti stanno proponendo, per esempio per<br />
realizzare <strong>del</strong>le reti private, visto anche che <strong>il</strong><br />
costo di alcuni dispositivi sta fortemente dim<strong>in</strong>uendo.<br />
In conclusione crediamo che l’ottica potrà<br />
dare un grosso contributo allo sv<strong>il</strong>uppo <strong>in</strong> tantissimi<br />
campi e sarà uno degli elementi fondamentali<br />
per <strong>il</strong> r<strong>il</strong>ancio <strong>del</strong>l’economia a com<strong>in</strong>ciare<br />
dal settore <strong>del</strong>l’Information Communication<br />
Technology (ICT). Come mostrato dai<br />
contributi che sono presenti <strong>in</strong> questo Quaderno<br />
l’Italia nel campo <strong>del</strong>l’ottica ha oggi un<br />
ruolo fondamentale a livello mondiale sia per<br />
la produzione che per la ricerca e questo deve<br />
essere considerato solo come un punto di partenza<br />
per un grande r<strong>il</strong>ancio <strong>del</strong> settore ICT.<br />
Francesco Matera<br />
<strong>Fondazione</strong> Ugo Bordoni<br />
Sistemi di trasmissione su Fibra Ottica<br />
novembre 2003<br />
anni, di realizzare reti completamente ottiche.<br />
Tipi di fibre: <strong>in</strong>frastrutture esistenti<br />
e loro evoluzioni recenti<br />
Le <strong>in</strong>frastrutture per telecomunicazioni<br />
attualmente esistenti ut<strong>il</strong>izzano tre diversi tipi<br />
di fibra, che presentano tutti all’<strong>in</strong>circa lo<br />
stesso valore di attenuazione, da 0.20 a 0.21<br />
dB/km <strong>in</strong> terza f<strong>in</strong>estra e 0.4 dB/km <strong>in</strong> seconda<br />
f<strong>in</strong>estra. Storicamente <strong>il</strong> primo tipo di<br />
fibra ut<strong>il</strong>izzato, nei primi anni ’80, è stato lo<br />
“standard” monomodo (SSMF, Standard<br />
S<strong>in</strong>gle-Mode Fiber, normativa ITU-T G.652)<br />
che rimane tuttora <strong>il</strong> più diffuso, costituendo<br />
circa l’80 % di tutta la fibra <strong>in</strong>stallata nel<br />
mondo. Attualmente 3 sono le fibre ut<strong>il</strong>izzate:<br />
la SSMF, la fibra a dispersione spostata<br />
(DSF, Dispersion Shifted Fiber, normativa<br />
ITU-T G.653) che presenta una dispersione<br />
nulla banda dei 1500 nm (banda <strong>in</strong> cui operano<br />
gli amplificatori ottici ad erbio) ed è<br />
particolarmente idonea per i sistemi s<strong>in</strong>golo<br />
canale ad alta capacità e la fibra a dispersione<br />
spostata non nulla (Non-Zero Dispersion<br />
Shifted Fibers, NZDSF, normativa ITU-T<br />
G.655), che presenta un valore modesto, ma<br />
69
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I QUADERNI DI TELÈMA<br />
non nullo a 1500 nm che è stata <strong>in</strong>trodotta<br />
per i sistemi WDM.<br />
Trasmissione a lunga distanza e ad<br />
alta capacità<br />
Le reti ottiche di prima generazione, fatta<br />
eccezione per le reti di accesso di tipo residenziale,<br />
ut<strong>il</strong>izzano la fibra esclusivamente come<br />
mezzo trasmissivo <strong>in</strong> sostituzione <strong>del</strong> cavo<br />
<strong>in</strong> rame, mentre eseguono tutte le operazioni<br />
di commutazione, elaborazione ed <strong>in</strong>stradamento<br />
per via elettronica. Esempi di questo tipo<br />
sono le reti SONET (Synchronous Optical<br />
Network) e SDH (Synchronous Digital Hierarchy),<br />
che costituiscono <strong>il</strong> cuore <strong>del</strong>le <strong>in</strong>frastrutture<br />
per telecomunicazioni, rispettivamente,<br />
<strong>in</strong> America <strong>del</strong> Nord, Europa ed Asia.<br />
In entrambi i casi esiste una gerarchia standardizzata<br />
che regola la generazione di flussi ottici<br />
ad alta velocità, detti di aggregato, a partire<br />
dai cosiddetti flussi tributari, per mezzo di operazioni<br />
di multiplex<strong>in</strong>g elettrico nel dom<strong>in</strong>io<br />
<strong>del</strong> tempo.<br />
Nel caso <strong>del</strong>l’SDH (normative ITU-T G.707,<br />
G.957) la gerarchia di base è denom<strong>in</strong>ata STM-<br />
1 (Synchronous Transport Module-1) e prevede<br />
un flusso di aggregato alla velocità di<br />
155.52 Mb/s. La gerarchia immediatamente<br />
successiva è l’STM-4, che tratta un flusso di dati<br />
a 622.08 Mb/s. Entrambe sono ut<strong>il</strong>izzate prevalentemente<br />
nell’ambito <strong>del</strong>le reti di accesso,<br />
che sono supportate da fibra “standard” e prevedono<br />
l’impiego di una componentistica di<br />
tipo low cost.<br />
Per i collegamenti a lunga distanza sono<br />
prevalentemente ut<strong>il</strong>izzate le gerarchie STM-<br />
16 ed STM-64 che consistono <strong>in</strong> flussi di aggregato<br />
alla velocità di circa 2.48 Gb/s e 9.92 4<br />
b/s, trasmessi <strong>in</strong> generale su fibra “standard”<br />
(seconda e terza f<strong>in</strong>estra) o dispersion shifted<br />
(terza f<strong>in</strong>estra). In questo caso <strong>il</strong> sistema è dimensionato<br />
<strong>in</strong> modo tale da distanziare al<br />
massimo i rigeneratori optoelettronici: grazie<br />
alla compensazione <strong>del</strong>le perdite di attenuazione<br />
ottenuta tramite l’<strong>in</strong>serzione periodica di<br />
amplificatori ottici <strong>il</strong> segnale può mantenere la<br />
sua natura “ottica” f<strong>in</strong>o a distanze <strong>del</strong>l’ord<strong>in</strong>e<br />
di diverse cent<strong>in</strong>aia di ch<strong>il</strong>ometri.<br />
I sistemi a lunga distanza comprendono la<br />
categoria di applicazioni <strong>in</strong> cui la presenza di<br />
barriere geografiche come laghi, mari o montagne,<br />
impediscono o comunque rendono difficoltosa<br />
l’<strong>in</strong>stallazione di un apparato di rige-<br />
nerazione, imponendo str<strong>in</strong>genti v<strong>in</strong>coli <strong>in</strong> term<strong>in</strong>i<br />
di budget di potenza. L’amplificatore ottico<br />
è diventato qu<strong>in</strong>di un componente essenziale<br />
per questo tipo di collegamenti, sostituendo,<br />
ove possib<strong>il</strong>e, i più costosi e <strong>in</strong>gombranti<br />
rigeneratori optoelettronici. Il tipo più<br />
comunemente ut<strong>il</strong>izzato è l’amplificatore <strong>in</strong> fibra<br />
drogata con Erbio (EDFA, Erbium-Doped<br />
Fiber Amplifier), che, nella sua configurazione<br />
standard, presenta un guadagno che può raggiungere<br />
anche i 30 dB <strong>in</strong> una banda di circa<br />
35 nm nella regione <strong>in</strong>torno a 1.55 mm, consentendo<br />
perciò solamente la trasmissione <strong>in</strong><br />
terza f<strong>in</strong>estra, eventualmente su fibra DS per<br />
ridurre le penalità da dispersione.<br />
Relativamente ai sistemi sottomar<strong>in</strong>i, con<br />
l’<strong>in</strong>stallazione dei collegamenti transatlantici<br />
TAT-12 (’95) e TAT-13 (’96) operanti <strong>in</strong> terza f<strong>in</strong>estra<br />
su fibra DS, è stato <strong>in</strong>trodotto l’ut<strong>il</strong>izzo<br />
di amplificatori ottici di l<strong>in</strong>ea “sommersi”. Per<br />
quanto riguarda <strong>in</strong>vece le applicazioni terrestri,<br />
le prime <strong>in</strong>stallazioni risalgono al ’90-’91<br />
negli USA, dove sono stati <strong>in</strong>izialmente impiegati<br />
come booster: venivano <strong>in</strong>fatti posizionati<br />
<strong>in</strong> uscita dal trasmettitore per <strong>in</strong>crementare la<br />
potenza ottica dei term<strong>in</strong>ali SONET, operanti<br />
prevalentemente a 2.5 Gb/s. Questo tipo di<br />
approccio ha consentito <strong>in</strong> particolare di raggiungere<br />
tratte di 200 km senza rigenerazione.<br />
Successivamente, negli anni ’94-’95, si è com<strong>in</strong>ciato<br />
ad <strong>in</strong>trodurre, nell’ambito dei sistemi<br />
a 2.5 Gb/s, gli amplificatori lunga l<strong>in</strong>ea, che<br />
hanno permesso di raggiungere, con l’aiuto<br />
degli ultimi sv<strong>il</strong>uppi <strong>del</strong>le tecnologie nel campo<br />
dei laser, distanze di 600-800 km senza<br />
l’aus<strong>il</strong>io di tecniche per la compensazione <strong>del</strong>la<br />
dispersione cromatica.<br />
I network service providers sono attualmente<br />
impegnati nel valutare le diverse alternative<br />
<strong>in</strong> grado di <strong>in</strong>crementare la capacità di traffico<br />
offerta dalle reti già <strong>in</strong>stallate. Infatti, i sistemi<br />
a grande capacità attualmente <strong>in</strong> servizio operano<br />
tipicamente a 2.5 Gb/s e 10 Gb/s nella f<strong>in</strong>estra<br />
<strong>in</strong>torno a 1550 nm. Qualora gli operatori<br />
di rete procedessero ad un upgrad<strong>in</strong>g <strong>in</strong> term<strong>in</strong>i<br />
di capacità complessiva, oltre alla più ovvia,<br />
ma senz’altro più costosa, alternativa <strong>del</strong><br />
multiplex<strong>in</strong>g nel dom<strong>in</strong>io spaziale (SDM, Space<br />
Division Multiplex<strong>in</strong>g) che consiste nell’<strong>in</strong>stallare<br />
nuova fibra, troverebbero disponib<strong>il</strong>i<br />
due diverse soluzioni:<br />
<strong>il</strong> TDM (Time Division Multiplex<strong>in</strong>g), che<br />
aumenta la cadenza di cifra multiplando elettronicamente<br />
nel dom<strong>in</strong>io <strong>del</strong> tempo più segnali<br />
a velocità <strong>in</strong>feriore;<br />
Iquadernidi
<strong>il</strong> WDM (Wavelength Division Multiplex<strong>in</strong>g),<br />
che prevede la trasmissione contemporanea<br />
di più canali a diverse lunghezze<br />
d’onda di portante.<br />
Naturalmente, essendo complementari, è<br />
possib<strong>il</strong>e impiegare un’opportuna comb<strong>in</strong>azione<br />
di entrambe le soluzioni, ed è effettivamente<br />
ciò che si verifica <strong>in</strong> pratica. È proprio<br />
mediante la comb<strong>in</strong>azione di ambedue le soluzioni<br />
che diversi laboratori di ricerca hanno<br />
dimostrato di poter raggiungere capacità superiori<br />
ai 10 Tb/s su una s<strong>in</strong>gola fibra.<br />
La tecnica di multiplazione a divisione di<br />
tempo permette, come è stato appena precisato,<br />
di aumentare la capacità di trasmissione<br />
mediante la multiplazione di N flussi di dati a<br />
“bassa velocità” <strong>in</strong> un unico flusso a velocità N<br />
volte superiore alla cadenza di cifra dei s<strong>in</strong>goli<br />
flussi <strong>in</strong> <strong>in</strong>gresso al multiplexer elettrico. Nei<br />
sistemi TDM la velocità di cifra può essere fortemente<br />
aumentando ut<strong>il</strong>izzando una multiplazione<br />
ottica nel dom<strong>in</strong>io <strong>del</strong> tempo (Optical<br />
Time Division Multiplex<strong>in</strong>g, OTDM) come<br />
riportata nella figura.<br />
A differenza <strong>del</strong>l’approccio WDM, con la tecnica<br />
TDM la durata di un bit <strong>del</strong> flusso di dati<br />
trasmesso <strong>in</strong> fibra risulta essere N volte più piccola<br />
di quella dei bit degli N flussi di partenza.<br />
Questi ultimi sono <strong>in</strong>fatti <strong>in</strong>terallacciati tra di loro<br />
<strong>in</strong> modo tale da allocare all’<strong>in</strong>terno <strong>del</strong>la durata<br />
<strong>del</strong> bit slot di partenza un bit per ogni s<strong>in</strong>golo<br />
flusso all’<strong>in</strong>gresso <strong>del</strong> multiplexer, separando<br />
così temporalmente due bit successivi<br />
<strong>del</strong>lo stesso flusso tributario di una quantità<br />
proprio pari alla loro durata orig<strong>in</strong>aria.<br />
L’approccio di tipo WDM prevede la trasmissione<br />
simultanea di N portanti ottiche, ognuna<br />
ad una cadenza di cifra R, <strong>in</strong> l<strong>in</strong>ea di pr<strong>in</strong>cipio<br />
non troppo elevata per quanto riguarda gli effetti<br />
dispersivi, determ<strong>in</strong>ando una capacità di<br />
trasmissione complessiva di NxR Gb/s.<br />
L’<strong>in</strong>troduzione <strong>del</strong>l’amplificatore ottico, ed<br />
<strong>in</strong> particolare <strong>del</strong>l’amplificatore <strong>in</strong> fibra drogata<br />
con Erbio, ha drasticamente cambiato l’economia<br />
dei sistemi mult<strong>il</strong>unghezza d’onda poiché<br />
ha consentito l’amplificazione simultanea<br />
di tutti gli N canali, sostituendo, ove possib<strong>il</strong>e,<br />
N rigeneratori optoelettronici, preceduti da un<br />
demultiplexer e seguiti da un multiplexer.<br />
Reti ottiche metropolitane<br />
Negli ultimi anni gli operatori di Telecomunicazioni<br />
hanno speso cifre cospicue per ag-<br />
novembre 2003<br />
le nuove tecnologie fotoniche<br />
giungere imponenti capacità nelle loro reti di<br />
trasmissione a lunga distanza. Queste autostrade<br />
ottiche sono <strong>in</strong> grado di trasportare,<br />
anche <strong>in</strong> prospettiva, <strong>il</strong> traffico multimediale<br />
che gli utenti bus<strong>in</strong>ess e privati generano. È<br />
però necessario sv<strong>il</strong>uppare ulteriormente le<br />
reti metropolitane, per connettere le sorgenti<br />
di traffico ad alta capacità alla loro velocità di<br />
sorgente.<br />
Oggi le aree metropolitane hanno ancora limitati<br />
accessi ad alta capacità per la connessione<br />
verso le grandi dorsali. Per ovviare gli operatori<br />
locali devono aumentare la capacità,<br />
e migliorare la flessib<strong>il</strong>ità <strong>del</strong>le loro reti nell’area<br />
metropolitana, <strong>il</strong> più <strong>in</strong> fretta possib<strong>il</strong>e per<br />
essere <strong>in</strong> grado di ospitare adeguatamente l’evoluzione<br />
<strong>del</strong> traffico orig<strong>in</strong>ato dai nuovi servizi<br />
a larga banda.<br />
Sfortunatamente l’abbondanza di capitali,<br />
che <strong>in</strong> passato ha supportato la realizzazione<br />
<strong>del</strong>le grandi dorsali, si è esaurita e gli <strong>in</strong>vestimenti<br />
attuali nella rete di telecomunicazioni<br />
sono valutati, al momento, con molta parsimonia.<br />
La tecnologia scelta da numerosi Operatori<br />
è nel transitorio la “Digital Subscriber L<strong>in</strong>e”<br />
(DSL), sui collegamenti esistenti dei loro clienti<br />
privati o piccoli imprenditori. F<strong>in</strong>o a qualche<br />
tempo fa, questi clienti potevano connettersi a<br />
Internet tramite le normali l<strong>in</strong>ee telefoniche, economiche<br />
ma a banda molto limitata, oppure<br />
<strong>in</strong> alternativa con costose l<strong>in</strong>ee digitali “Prime<br />
Rate Access” (PRA). La limitazione di banda da<br />
una parte, o quella di costo dall’altra sono state<br />
un freno importante allo sv<strong>il</strong>uppo <strong>del</strong> traffico<br />
dati scambiato dagli utenti su Internet.<br />
Oggi <strong>il</strong> numero crescente di queste connessioni<br />
nella loro evoluzione a larga banda, sta<br />
facendo crescere <strong>in</strong> modo deciso <strong>il</strong> volume di<br />
traffico e tale <strong>in</strong>cremento tende naturalmente<br />
a saturare le risorse di rete esistenti. L’uso <strong>del</strong>la<br />
fibra ottica e dei sistemi di multiplazione descritti<br />
nei paragrafi precedenti è la soluzione<br />
tecnica ed economica per rispondere alle necessità<br />
<strong>del</strong>le Reti Metropolitane. È qu<strong>in</strong>di fac<strong>il</strong>e<br />
prevedere una progressiva migrazione <strong>del</strong>la fibra<br />
sempre più verso l’utente f<strong>in</strong>ale.<br />
Verso le reti completamente<br />
ottiche: Optical Add Drop<br />
Multiplex<strong>in</strong>g (OADM) e Optical<br />
Cross Connect (OXC)<br />
Come gli amplificatori ottici hanno sostituito<br />
<strong>in</strong> molte applicazioni i rigeneratori optoe-<br />
71
72<br />
I QUADERNI DI TELÈMA<br />
lettronici grazie alla loro capacità di supportare<br />
segnali con bit rate crescenti e segnali di tipo<br />
WDM, così l’elemento di forza degli switch<br />
ottici rispetto alle controparti elettroniche è la<br />
trasparenza alla trama e al bit rate <strong>del</strong> segnale<br />
trasportato. Ciò rappresenta un elemento fondamentale<br />
per <strong>il</strong> successo futuro degli Optical<br />
Add Drop Multiplexer (OADM) e Optical<br />
Cross Connect (OXC), quando <strong>il</strong> parametro<br />
fondamentale sia la banda totale da “crossconnettere”.<br />
Numerose aziende manifatturiere, superata<br />
ormai la fase di studio di fattib<strong>il</strong>ità nei laboratori<br />
di ricerca avanzata, annunciano ed offro-<br />
no i primi sistemi commerciali <strong>in</strong> grado di espletare<br />
più evolute funzionalità ottiche. Si<br />
tratta oggi per lo più di prodotti con capacità e<br />
flessib<strong>il</strong>ità limitate, soprattutto se paragonate<br />
con le corrispondenti degli ADM e Cross-Connect<br />
elettronici a parità di numero di affluenti.<br />
In generale, l’implementazione di queste<br />
funzionalità richiede ancora un’<strong>in</strong>tensa attività<br />
di ricerca per poter conseguire <strong>in</strong> una rete ottica<br />
maturità comparab<strong>il</strong>i a quelle offerte dagli<br />
standard SDH/SONET.<br />
Andrea Bonati<br />
Alcatel Italia<br />
Le reti di telecomunicazione verso<br />
“<strong>il</strong> tutto ottico”<br />
Il term<strong>in</strong>e correntemente ut<strong>il</strong>izzato di Rete<br />
di Trasporto, così come i term<strong>in</strong>i di rete<br />
regionale o metropolitana, è <strong>il</strong> risultato di<br />
una semplificazione lessicale, ut<strong>il</strong>izzata<br />
all’<strong>in</strong>terno di un mo<strong>del</strong>lo semplificato di rete,<br />
per <strong>in</strong>dicare quella porzione <strong>del</strong>la rete che<br />
connette i nodi pr<strong>in</strong>cipali di cui e costituita. Le<br />
due tipologie pr<strong>in</strong>cipali di rete f<strong>in</strong>ora adottate<br />
e analizzate dai pianificatori di rete sono stati<br />
l’anello (r<strong>in</strong>g) e la rete magliata (mesh).<br />
In una configurazione ad anello, ogni nodo<br />
è connesso solo ai due nodi adiacenti all’<strong>in</strong>terno<br />
di una struttura ad anello. Questa è la tipologia<br />
oggi più diffusa sia nella porzione di rete<br />
di trasporto, che <strong>in</strong> quella <strong>in</strong> area metropolitana.<br />
Essa è molto apprezzata per la elevata capacità<br />
e velocità di riconfiguzione con cui reagisce<br />
ad eventuali guasti ed è pertanto raccomandata<br />
quando è richiesta una disponib<strong>il</strong>ità<br />
<strong>del</strong> servizio prossima al 100%.<br />
Questa sua caratteristica gli deriva dal fatto<br />
che la capacità (banda) <strong>del</strong> mezzo trasmissivo<br />
(fibra o cavo) si ut<strong>il</strong>izza solo per metà e si lascia<br />
l’altra metà scarica per essere ut<strong>il</strong>izzata solo<br />
<strong>in</strong> caso di necessità, ovvero <strong>in</strong> caso di guasto<br />
<strong>del</strong>la parte attiva.<br />
In una struttura a rete magliata, i nodi sono<br />
<strong>in</strong>terconnessi <strong>in</strong> una configurazione 1 a N, dove<br />
N può variare da nodo a nodo. In tale struttura,<br />
ogni nodo è connesso a tutti gli altri nodi<br />
con un grado di connettività che può essere di<br />
tipo completo (ogni nodo è collegato a tutti gli<br />
altri nodi <strong>del</strong>la rete) o di tipo lasco (i collega-<br />
menti sono distribuiti con <strong>il</strong> requisito m<strong>in</strong>imo<br />
di fornire almeno due percorsi alternativi fra<br />
una qualunque coppia di nodi).<br />
In questo caso la protezione <strong>del</strong> traffico <strong>in</strong><br />
presenza di un guasto, si ottiene sovradimensionando<br />
le capacità trasmissive di ogni collegamento,<br />
e riservando questa parte eccedente<br />
per <strong>il</strong> trasporto di una porzione <strong>del</strong> traffico che<br />
gli viene dirottata <strong>in</strong> caso di rottura di uno dei<br />
collegamenti attivi.<br />
Lo scenario tecnologico<br />
Gli stimoli più forti alla evoluzione <strong>del</strong>le reti<br />
di telecomunicazione arrivano dal settore <strong>del</strong>l’ottica<br />
e dal mondo di Internet. L’ottica, con le<br />
sempre più sofisticate tecniche di amplificazione<br />
<strong>del</strong> segnale che si traducono <strong>in</strong> distanze sempre<br />
maggiori che <strong>il</strong> segnale ottico riesce a coprire<br />
senza necessità di essere rielaborato (rigenerato)<br />
congiuntamente a soluzioni sempre più efficienti<br />
di aggregazione di più segnali sulla stessa<br />
fibra (WDM) sta consentendo di raggiungere<br />
dei livelli di costo/bit/km veramente bassissimi.<br />
Le tecnologie legate al mondo di Internet<br />
stanno <strong>in</strong>dirizzando sempre di più ad un uso<br />
ottimizzato <strong>del</strong>le capacità trasmissive: non più<br />
un circuito dedicato per connettere due utenti,<br />
<strong>in</strong>ut<strong>il</strong>izzato nei momenti di pausa, ma l’uso<br />
condivisivo <strong>del</strong>le risorse che vengono di volta<br />
<strong>in</strong> volta ut<strong>il</strong>izzate per <strong>il</strong> trasporto di <strong>in</strong>formazione<br />
(pacchetti) appartenente a collegamenti<br />
differenti.<br />
Iquadernidi
Ma oltre a questi due aspetti, vi è una terza<br />
<strong>in</strong>trigante opportunità che sta sfidando <strong>il</strong><br />
mondo scientifico ed è quella legata al concetto<br />
di trasparenza, ovvero la realizzab<strong>il</strong>ità<br />
di una rete di trasporto completamente<br />
ottica. S<strong>in</strong>o ad oggi, i segnali ottici che raggiungevano<br />
un nodo <strong>del</strong>la rete, prima di subire<br />
qualunque tipo di elaborazione dovevano<br />
per <strong>in</strong>iziare essere convertiti da ottico <strong>in</strong><br />
elettrico, perché questo è l’unico <strong>formato</strong><br />
per cui disponiamo di opportuni circuiti di<br />
elaborazione. Questa operazione è ancora<br />
molto costosa perché richiede una conversione<br />
O/E/O e impiega dispositivi di conversione<br />
O/E (fotorivelatori) e E/O (Laser) molto<br />
pregiati. Questa costosa conversione è<br />
però <strong>del</strong> tutto evitab<strong>il</strong>e <strong>in</strong> tutti quei casi <strong>in</strong><br />
cui <strong>il</strong> segnale non ha ancora raggiunto la sua<br />
dest<strong>in</strong>azione f<strong>in</strong>ale e <strong>il</strong> nodo è semplicemente<br />
un punto di attraversamento. Un recente<br />
studio che comparava per una rete magliata<br />
<strong>il</strong> costo di una realizzazione con conversione<br />
E/O/E e una “completamente trasparente”<br />
ha mostrato marg<strong>in</strong>i di risparmio s<strong>in</strong>o al<br />
65% a favore <strong>del</strong>la seconda. Questo giustifica<br />
<strong>il</strong> perché l’idea di realizzare reti trasparenti,<br />
<strong>in</strong> cui <strong>il</strong> segnale attraversa tutti i nodi<br />
da quello di <strong>in</strong>gresso a quello di uscita senza<br />
conversioni <strong>in</strong>termedie, è così attraente e stimolante.<br />
È appunto per questa ragione che<br />
così tanti <strong>in</strong>vestimenti, <strong>in</strong> mezzi e risorse, sono<br />
stati profusi negli ultimi anni nel tentativo<br />
di realizzare matrici ottiche capaci di commutare<br />
un segnale ottico da una porta di <strong>in</strong>gresso<br />
ad una di uscita restando nel <strong>formato</strong><br />
ottico e così risparmiando i costi di una <strong>in</strong>essenziale<br />
conversione. Molte soluzioni basate<br />
su diverse tecnologie sono state proposte,<br />
per citarne alcune: micro specchietti comandati<br />
da segnale elettrico (MEMS Micro Electrical<br />
Mach<strong>in</strong>e), Cristalli liquidi, bolle prodotte<br />
per effetto termico (Bubble thermooptics),<br />
e molti studi sono stati effettuati<br />
confrontando le loro prestazioni <strong>in</strong> term<strong>in</strong>i<br />
di costo, attenuazione, dimensione e affidab<strong>il</strong>ità.<br />
Fra tutte le varie proposte, quella basata<br />
sulle MEMs sembra ad oggi quella più<br />
valida e la sola veramente matura per applicazioni<br />
<strong>in</strong>dustriali.<br />
novembre 2003<br />
le nuove tecnologie fotoniche<br />
Con <strong>il</strong> term<strong>in</strong>e OADM si identifica normalmente<br />
un tipo di apparato ottico <strong>in</strong> grado di<br />
<strong>in</strong>tercettare un segnale WDM di tipo multiplato<br />
e su questo di sp<strong>il</strong>lare (drop) e/o <strong>in</strong>serire<br />
(add) alcune <strong>del</strong>le N componenti (lunghezze<br />
d’onda), lasciando transitare <strong>in</strong>alterati<br />
le rimanenti. Il sistema WDM TransXpress<br />
Inf<strong>in</strong>ity <strong>del</strong>la Siemens, con una capacità di<br />
160 canali (lunghezze d’onda), ciascuno <strong>in</strong><br />
grado di trasportare s<strong>in</strong>o a 10 m<strong>il</strong>iardi di bit<br />
al secondo (10Gbit/s), <strong>in</strong>stallato e già operativo<br />
su una dorsale <strong>del</strong>la rete <strong>del</strong>l’operatore<br />
nazionale c<strong>in</strong>ese è una dimostrazione <strong>in</strong>discutib<strong>il</strong>e<br />
dei risultati già raggiunti <strong>in</strong> questo<br />
campo.<br />
Situazioni di blocco dovute<br />
a mancanza di convertitori<br />
di lunghezza d’onda<br />
Un altro aspetto che condiziona la sua realizzab<strong>il</strong>ità<br />
e al momento riduce i benefici economici<br />
di una rete ottica trasparente è quello<br />
<strong>del</strong>la <strong>in</strong>disponib<strong>il</strong>ità sul mercato di dispositivi<br />
puramente ottici capaci di variare la lunghezza<br />
d’onda su cui <strong>il</strong> segnale viaggia. Una tale funzionalità<br />
è richiesta laddove è necessario superare<br />
la situazione di blocco che si crea<br />
quando un segnale ottico ad una certa lunghezza<br />
d’onda contenuto <strong>in</strong> un segnale WDM<br />
raggiunge un nodo di tipo trasparente e deve<br />
proseguire <strong>in</strong> una direzione dove quella lunghezza<br />
d’onda è stata già ut<strong>il</strong>izzata.<br />
Vi sono 2 modi per superare una tale situazione<br />
di blocco.<br />
La prima consiste nell’ut<strong>il</strong>izzare molte più<br />
lunghezze d’onda di quelle necessarie (over<br />
provision<strong>in</strong>g) si da ridurre (senza però elim<strong>in</strong>arla)<br />
la probab<strong>il</strong>ità che una tale evenienza si<br />
presenti. La seconda si basa sull’adozione di<br />
nodi cosiddetti ibridi, che anziché essere puramente<br />
ottici dispongono di alcuni dispositivi<br />
di conversione di lunghezza d’onda (basati su<br />
conversione O/E/O) che vengono ut<strong>il</strong>izzati<br />
quando necessario.<br />
Sarac<strong>in</strong>o Sante<br />
Siemens-CNX Spa, L’Aqu<strong>il</strong>a<br />
73
74<br />
I QUADERNI DI TELÈMA<br />
La Trasmissione a 40 Gb/s per le<br />
nuove comunicazioni<br />
La tecnologia 40 Gbit/s, sv<strong>il</strong>uppata da<br />
Marconi Communications nei suoi laboratori<br />
di Ricerca e Sv<strong>il</strong>uppo di Genova,<br />
non è più solamente un fiore all’occhiello<br />
<strong>del</strong>l’<strong>in</strong>novazione tecnologica <strong>in</strong>tesa come<br />
ricerca “pura”, ma una vera e propria<br />
realtà, <strong>in</strong>tesa come applicazione commerciale<br />
a disposizione degli operatori per i propri futuri<br />
<strong>in</strong>vestimenti – a medio e lungo term<strong>in</strong>e –<br />
nelle reti di tlc. Rimangono tuttavia aperte alcune<br />
questioni, relative alla propagazione (<strong>in</strong><br />
particolar modo la dispersione dei modi di polarizzazione<br />
(PMD – Polarisation Mode Dispersion)<br />
ed ai costi. Di seguito viene riportata<br />
un’analisi relativa alla tecnologia, alle implicazioni<br />
<strong>in</strong> term<strong>in</strong>i di propagazione sul portante<br />
fisico e di costi: <strong>il</strong> tutto ut<strong>il</strong>izzando un approccio<br />
pragmatico ed un’ottica di rete.<br />
Lo scenario<br />
Anche se <strong>il</strong> mercato <strong>del</strong>le telecomunicazioni<br />
permane critico, rimane l’esigenza di prosegui-<br />
Scheda <strong>in</strong>terfaccia ottica a 40Gb/s.<br />
re gli <strong>in</strong>vestimenti sulle reti. Gli operatori hanno<br />
la necessità di cont<strong>in</strong>uare ad essere competitivi<br />
su di un mercato sempre più aggressivo:<br />
necessità che deve tuttavia soddisfare l’obiettivo<br />
di riduzione di Capex e di Opex e, <strong>in</strong> parallelo,<br />
di aumento dei ricavi.<br />
La tecnologia <strong>del</strong> 40 Gbit/s rientra <strong>in</strong> questo<br />
controverso scenario, garantendo da una parte<br />
un’evoluzione naturale <strong>del</strong>le reti attuali ma, al<br />
tempo stesso, ponendo un vero e proprio d<strong>il</strong>emma:<br />
è una soluzione economicamente giustificab<strong>il</strong>e<br />
<strong>in</strong> questo diffic<strong>il</strong>e con<strong>testo</strong> di mercato?<br />
I paragrafi seguenti analizzano questo quesito,<br />
fornendo una panoramica sui possib<strong>il</strong>i ut<strong>il</strong>izzi<br />
<strong>del</strong> 40 Gbit/s su reti già <strong>in</strong>stallate ed ut<strong>il</strong>izzando<br />
un approccio pragmatico nell’analisi<br />
<strong>del</strong>l’efficienza di rete, maturità tecnologica e ritorno<br />
sull’<strong>in</strong>vestimento.<br />
Una soluzione, non una tecnologia<br />
L’emergere <strong>del</strong>la multiplazione a divisione<br />
di lunghezza d’onda (Wavelength Division<br />
Iquadernidi
Multiplex<strong>in</strong>g – WDM) ha aperto un’ampia<br />
discussione fra i sostenitori <strong>del</strong>l’evoluzione<br />
di rete tramite <strong>in</strong>cremento <strong>del</strong>la frequenza<br />
di cifra sul s<strong>in</strong>golo canale, ossia un aumento<br />
nella multiplazione a divisione di tempo<br />
(TDM-Time Division Multiplex<strong>in</strong>g), e coloro<br />
che supportano un ut<strong>il</strong>izzo più esteso di canali<br />
paralleli <strong>in</strong> tecnologia WDM. Tale diatriba,<br />
di stampo quasi f<strong>il</strong>osofico, è stata resa<br />
<strong>in</strong> qualche modo obsoleta dal mercato attuale,<br />
nel quale ciò che veramente conta è <strong>il</strong><br />
costo “per bit” (o meglio, <strong>il</strong> costo per bitkm-W-m<br />
3 ).<br />
Non esiste alcun dubbio sul fatto che un<br />
ulteriore passo nel TDM possa garantire agli<br />
operatori un vantaggio concreto, sia <strong>in</strong> ambiente<br />
SONET/SDH sia OTN (Optical Transport<br />
Network). Il livello di scalab<strong>il</strong>ità, flessib<strong>il</strong>ità<br />
e capacità <strong>in</strong> term<strong>in</strong>i di trasporto e gestione<br />
<strong>del</strong> traffico che <strong>il</strong> 40 Gbit/s è <strong>in</strong> grado<br />
di garantire, unito alla relativa funzionalità<br />
OTN (cioè ODU3 <strong>in</strong> uno scenario ITU-T<br />
G.709), permette un vero e proprio balzo <strong>in</strong><br />
avanti, rispondendo alle esigenze dettate dai<br />
nuovi servizi e garantendo una maggiore efficienza<br />
di rete.<br />
Il 40 Gbit/s oggi: maturità<br />
tecnologica<br />
Due anni fa l’applicab<strong>il</strong>ità <strong>del</strong>la tecnologia a<br />
40 Gbit/s su reti già <strong>in</strong>stallate veniva messa <strong>in</strong><br />
dubbio. Possiamo <strong>in</strong>vece affermare oggi che<br />
tale tecnologia è pronta ad essere ut<strong>il</strong>izzata a<br />
f<strong>in</strong>i commerciali non appena <strong>il</strong> mercato la richiederà.<br />
L’evoluzione <strong>del</strong> 40Gbit/s è possib<strong>il</strong>e<br />
e, aspetto ancora più importante, <strong>il</strong> processo<br />
di <strong>in</strong>gegnerizzazione è già partito, almeno<br />
per quanto riguarda Marconi.<br />
Come è possib<strong>il</strong>e osservare nelle seguenti<br />
figure, lo sv<strong>il</strong>uppo ha portato alla def<strong>in</strong>izione<br />
di un prodotto f<strong>in</strong>ito, e non di prototipi, sia a<br />
livello di scheda per l’<strong>in</strong>terfaccia ottica che<br />
<strong>del</strong>l’<strong>in</strong>tero sistema.<br />
Prove estensive sono state condotte sia <strong>in</strong><br />
laboratorio che presso importanti operatori,<br />
sia <strong>in</strong> ambito s<strong>in</strong>golo canale che multi-canale,<br />
anche <strong>in</strong> applicazioni <strong>in</strong> cui canali a 10<br />
Gbit/s e canali 40 Gbit/s convivevano sulla<br />
stessa piattaforma. Di particolare r<strong>il</strong>ievo è ad<br />
esempio una prova <strong>in</strong> campo effettuata<br />
presso un importante operatore europeo, <strong>in</strong><br />
novembre 2003<br />
le nuove tecnologie fotoniche<br />
cui si è <strong>in</strong>viato un canale a 40 Gbit/s, <strong>in</strong>sieme<br />
ad alcuni canali a 10 Gbit/s, su una distanza<br />
di circa 600 km, con <strong>in</strong>teressanti marg<strong>in</strong>i<br />
di sistema.<br />
Ciò significa che <strong>il</strong> 40 Gbit/s è di fatto ut<strong>il</strong>izzab<strong>il</strong>e<br />
già oggi. Ma cosa impedisce, allora, a<br />
tale tecnologia di essere ut<strong>il</strong>izzata? Due questioni<br />
sono ancora parzialmente aperte: una<br />
soluzione def<strong>in</strong>itiva alle problematiche di propagazione<br />
ed i costi.<br />
Il 40 Gbit/s oggi: le problematiche<br />
relative ai costi<br />
I vantaggi sostanziali apportati agli operatori<br />
dalla disponib<strong>il</strong>ità di canali trasmissivi a frequenze<br />
di cifra più elevata possono essere applicati<br />
anche al 40 Gbit/s.<br />
La possib<strong>il</strong>ità di migliorare l’efficienza <strong>del</strong>la<br />
mappatura di dati a più elevata capacità è<br />
ciò che può permettere <strong>il</strong> reale decollo <strong>del</strong>le<br />
applicazioni a larga banda, con una maggiore<br />
efficacia <strong>in</strong> tutta la rete e la possib<strong>il</strong>ità di<br />
supportare nuovi servizi con la necessaria<br />
flessib<strong>il</strong>ità.<br />
Il costo di un’<strong>in</strong>tera rete è di fatto una miscela<br />
complessa di <strong>in</strong>gredienti diversi: <strong>il</strong> costo<br />
puro <strong>del</strong>l’apparato, lo spazio da esso ut<strong>il</strong>izzato<br />
ed <strong>il</strong> relativo consumo di energia, <strong>il</strong><br />
costo relativo alla propagazione ottica sulla<br />
distanza richiesta ed i costi di fornitura, gestione<br />
e manutenzione.<br />
Sezione Ottica <strong>del</strong> sistema ADM256.<br />
75
76<br />
I QUADERNI DI TELÈMA<br />
Ad oggi la tecnologia a 40 Gbit/s non è prodotta<br />
su scala <strong>in</strong>dustriale e pertanto risulta essere<br />
costosa se paragonata con la stessa capacità<br />
a 10 Gbit/s.<br />
Tuttavia, esistono determ<strong>in</strong>ate topologie<br />
di rete e di carichi di traffico laddove una<br />
soluzione a 40 Gbit/s può già oggi essere<br />
considerata ragionevole e sostenib<strong>il</strong>e (adottando<br />
una prospettiva di produzione <strong>in</strong> vo-<br />
lumi): ciò è particolarmente vero se si tiene<br />
presente che, ovviamente, la naturale ed <strong>in</strong>evitab<strong>il</strong>e<br />
erosione nel tempo dei costi relativi<br />
al 40 Gbit/s è ancora tutta nel nostro<br />
prossimo futuro.<br />
Raoul Fiorone<br />
Marco Camera<br />
Marconi Communications<br />
Le nanotecnologie per la fotonica<br />
Una <strong>del</strong>le sfide tecnologiche cui sono<br />
<strong>in</strong>dirizzati gli sforzi di Pirelli<br />
Labs sono le nanotecnologie. Questo<br />
term<strong>in</strong>e generico, che viene usato<br />
<strong>in</strong> vari settori per def<strong>in</strong>ire un <strong>in</strong>sieme di<br />
tecnologie capaci di eseguire manipolazioni<br />
<strong>del</strong>la struttura di alcuni materiali a livello atomico<br />
assume, per Pirelli Labs Optical Innovation,<br />
un significato molto preciso. Esso si<br />
traduce, <strong>in</strong>fatti, nella possib<strong>il</strong>ità di ridurre le<br />
dimensioni fisiche <strong>del</strong>la componentistica ottica<br />
dagli attuali centimetri alla scala dei micron.<br />
Ciò è effettuato mediante un <strong>in</strong>sieme di<br />
processi tecnologici, generalmente denom<strong>in</strong>ati<br />
nanofabbricazioni. Con la nanofabbricazione<br />
si controllano dettagli s<strong>in</strong>o al livello<br />
dei s<strong>in</strong>goli nanometri.<br />
La piattaforma tecnologica sulla quale si<br />
fonda questa nuova classe di dispositivi è derivata<br />
dalle tecnologie e dai processi correntemente<br />
impiegati nei settori <strong>del</strong>la fabbricazione<br />
dei dispositivi elettronici <strong>in</strong>tegrati <strong>in</strong> s<strong>il</strong>icio<br />
(chip).<br />
In altri term<strong>in</strong>i si può dire che le tecnologie<br />
di m<strong>in</strong>iaturizzazione derivate dall’<strong>in</strong>dustria elettronica<br />
dei sistemi ULSI (dall’<strong>in</strong>glese, Ultra<br />
Large Scale Integration), hanno reso disponib<strong>il</strong>e<br />
<strong>il</strong> mezzo per la realizzazione di sofisticati<br />
microcomponenti ottici.<br />
Dal punto di vista funzionale, alcuni dei<br />
punti salienti associati alla dispositivistica fotonica<br />
m<strong>in</strong>iaturizzta sono:<br />
La potenzialità di produzione su larga scala<br />
di nanocomponenti a basso costo.<br />
La grande affidab<strong>il</strong>ità dei componenti <strong>in</strong> s<strong>il</strong>icio<br />
come conseguenza <strong>del</strong>la profonda conoscenza<br />
di questo materiale e <strong>del</strong>la sua<br />
grande diffusione nell’<strong>in</strong>dustria dei semiconduttori.<br />
La possib<strong>il</strong>ità di realizzare dispositivi complessi<br />
capaci di operare <strong>in</strong> maniera efficiente<br />
pur mantenendo dimensioni molto contenute.<br />
La riduzione di consumo di potenza di<br />
molti dispositivi conseguente la loro m<strong>in</strong>iaturizzazione.<br />
Sarà qu<strong>in</strong>di possib<strong>il</strong>e, mediante tali tecnologie,<br />
attuare anche nel caso ottico lo stesso<br />
processo di <strong>in</strong>tegrazione che per l’elettronica<br />
ha portato allo sv<strong>il</strong>uppo <strong>del</strong> circuito <strong>in</strong>tegrato<br />
e poi alla rivoluzione <strong>del</strong>la microelettronica.<br />
A livello di rete ottica, ciò renderà<br />
possib<strong>il</strong>e offrire apparati per telecomunicazione<br />
ad alte prestazioni e basso costo<br />
diffondendo qu<strong>in</strong>di <strong>in</strong> maniera cap<strong>il</strong>lare la<br />
tecnologia fotonica che oggi è per lo più<br />
conf<strong>in</strong>ata a livello alto nella rete ottica (comunicazione<br />
su grande distanza, grandi reti<br />
regionali etc.)<br />
Pirelli prevede di <strong>in</strong>trodurre commercialmente<br />
sul mercato i primi componenti nanostrutturati<br />
già alla f<strong>in</strong>e <strong>del</strong> corrente anno.<br />
Iquadernidi<br />
Massimo Gent<strong>il</strong>i<br />
Pirelli Labs
I cristalli fotonici<br />
Isemiconduttori elettronici, e qu<strong>in</strong>di la capacità<br />
di controllare le correnti elettriche<br />
che fluiscono al loro <strong>in</strong>terno, hanno rappresentato<br />
la base portante <strong>del</strong>la rivoluzione<br />
<strong>in</strong>formatica che abbiamo vissuto negli<br />
ultimi anni e di cui ancora oggi avvertiamo gli<br />
effetti. Il successo <strong>del</strong>la moderna microelettronica<br />
è stato dovuto proprio alla capacità di<br />
<strong>in</strong>tegrazione, sullo stesso chip, di molteplici<br />
elementi quali CPU, <strong>in</strong>terfacce e memorie.<br />
Tutto questo si è tradotto <strong>in</strong> una sempre più<br />
vantaggiosa economia di mercato la cui scala,<br />
<strong>in</strong> breve tempo, ha raggiunto una diffusione<br />
mondiale.<br />
Così come i semiconduttori elettronici rappresentano<br />
<strong>il</strong> cuore di questi chip e qu<strong>in</strong>di<br />
dei computers e di altri dispositivi di uso comune,<br />
altrettanto i semiconduttori di luce<br />
potrebbero rappresentare <strong>il</strong> primo passo per<br />
una nuova rivoluzione nel campo <strong>del</strong>l’<strong>in</strong>formatica<br />
e <strong>del</strong>le comunicazioni <strong>del</strong> 21 mo secolo.<br />
I fotoni, ovvero i quanti di luce, sono i<br />
nuovi attori chiamati a sostituire i corrispettivi<br />
elettroni nel grande teatro <strong>del</strong>le moderne<br />
tecnologie. Ma come funzionano questi particolari<br />
materiali? Prima di affrontare questo<br />
problema è ut<strong>il</strong>e fare un passo <strong>in</strong>dietro e dare<br />
una occhiata al mondo che ci circonda.<br />
Negli ultimi anni gli scienziati hanno scoperto<br />
che l’iridescenza prodotta da alcuni animali,<br />
quali ad esempio uccelli e farfalle, è<br />
spesso dovuta a microscopiche strutture reticolari<br />
presenti <strong>in</strong> superficie <strong>in</strong> grado di riflettere<br />
determ<strong>in</strong>ate lunghezze d’onda e assorbirne<br />
altre, assumendo così differenti tonalità<br />
di colore anche se la superficie stessa ne<br />
risultasse totalmente priva. Questo fenomeno<br />
è stato attribuito alla presenza di una<br />
novembre 2003<br />
le nuove tecnologie fotoniche<br />
“gap di banda fotonica” <strong>in</strong>dotta dalla struttura<br />
reticolare periodica. Anche nell’opale, costituito<br />
da sfere submicrometriche di s<strong>il</strong>ice<br />
disposte <strong>in</strong> una struttura compatta (cubica a<br />
facce centrate), è stata riscontrata una “gap<br />
di banda naturale”. Come per gli uccelli e<br />
per le farfalle però tale gap non è completa,<br />
ovvero non funziona <strong>in</strong> tutte le direzioni, e<br />
genera <strong>del</strong>le iridescenze.<br />
All’<strong>in</strong>terno dei classici semiconduttori elettronici,<br />
la disponib<strong>il</strong>ità di elettroni al di<br />
sopra di una così detta “gap di banda”, cioè<br />
di un <strong>in</strong>tervallo di energie all’<strong>in</strong>terno <strong>del</strong><br />
quale agli elettroni è impedito di propagarsi<br />
attraverso <strong>il</strong> semiconduttore, e di lacune al<br />
di sotto <strong>del</strong>la stessa determ<strong>in</strong>a la presenza di<br />
un flusso di corrente fac<strong>il</strong>mente controllab<strong>il</strong>e.<br />
Attraverso <strong>il</strong> controllo di queste correnti è<br />
possib<strong>il</strong>e costruire semplici funzioni logiche<br />
e, a partire da queste, complesse strutture<br />
rappresentanti i mattoni base dei più moderni<br />
processori. Allo stesso modo i “semiconduttori<br />
di luce” possiedono una “gap di banda<br />
fotonica artificiale” costituita da un set di<br />
lunghezze d’onda alle quali non è permessa<br />
la propagazione nel mezzo stesso, proprio<br />
come avviene, <strong>in</strong> modo <strong>in</strong>completo, nel<br />
mondo animale.<br />
Gli elementi base per accedere a questo tipo<br />
di fenomenologia sono essenzialmente la<br />
presenta di una struttura regolare e un alto <strong>in</strong>dice<br />
di rifrazione. Il risultato è rappresentato<br />
dalla possib<strong>il</strong>ità di controllare le proprietà <strong>del</strong>la<br />
radiazione elettromagnetica <strong>in</strong> un modo assolutamente<br />
nuovo e unico.<br />
I cristalli fotonici possono assumere una<br />
configurazione monodimensionale (1D), bidimensionale<br />
(2D) o tridimensionale (3D), a<br />
a) Immag<strong>in</strong>e di un’ala di farfalla b) Cristallo fotonico 1D (1) c) Cristallo fotonico 2D (1) d) Cristallo fotonico 3D, struttura<br />
ad Opale (2). (1) Lpn-Cnrs, Laboratory of Photonics and Nanostructures. (2) Università di Pavia.<br />
77
78<br />
I QUADERNI DI TELÈMA<br />
a) Esempio di guida d’onda (3), b) Esempio di f<strong>il</strong>tro ottico (1), c) Esempio di Laser (4). (1) Lpn-Cnrs, Laboratory of<br />
Photonics and Nanostructures. (3) E. Chow et al., Opt. Lett. 26, 286 (2001). (4) Yokohama National University/Baba<br />
Research Lab.<br />
seconda di come vengano costruiti. Un cristallo<br />
fotonico monodimensionale si ottiene<br />
semplicemente alternando strati di materiale<br />
ad alto <strong>in</strong>dice di rifrazione con altri aventi<br />
basso <strong>in</strong>dice di rifrazione <strong>in</strong> modo tale da <strong>in</strong>durre,<br />
nel mezzo, una struttura periodica.<br />
Tale struttura, nella configurazione bidimensionale,<br />
si ottiene attraverso la creazione, <strong>in</strong><br />
un generico substrato, di “forell<strong>in</strong>i” di spessore<br />
e profondità ben determ<strong>in</strong>ati. In questo<br />
caso <strong>il</strong> rapporto tra la dimensione dei forell<strong>in</strong>i<br />
e la distanza tra i loro centri, unito ad un<br />
alto <strong>in</strong>dice di rifrazione <strong>del</strong> mezzo ospite,<br />
fornisce un ulteriore strumento di manipolazione<br />
<strong>del</strong>la luce. Se le prime due configurazioni<br />
sono ottenib<strong>il</strong>i, oggi, con metodi ormai<br />
collaudati e affidab<strong>il</strong>i, stesso discorso non si<br />
può fare per <strong>il</strong> caso dei cristalli 3D. La necessità,<br />
<strong>in</strong>fatti, di possedere una struttura isotropa<br />
<strong>in</strong> tutte le direzioni di propagazione<br />
rappresenta la maggiore difficoltà a livello<br />
di costruzione. Un approccio <strong>in</strong> questo senso<br />
è quello <strong>del</strong> così detto imp<strong>il</strong>amento<br />
(stack<strong>in</strong>g) dove <strong>il</strong> cristallo, <strong>in</strong> modo preciso<br />
e accurato, viene costruito strato per strato.<br />
Prendendo però spunto ancora una volta<br />
dalla natura, un differente approccio è rappresentato<br />
dall’ut<strong>il</strong>izzo di opali artificiali. Un<br />
opale consiste di piccole sfere arrangiate <strong>in</strong><br />
una struttura cubica a facce centrate; questa<br />
struttura genera una modulazione periodica<br />
<strong>del</strong>l’<strong>in</strong>dice di rifrazione e qu<strong>in</strong>di un cristallo<br />
fotonico.<br />
Così come nei semiconduttori elettronici è<br />
possib<strong>il</strong>e <strong>in</strong>serire dei livelli nella banda proibita<br />
tramite “drogaggio”, ovvero immissione<br />
di atomi nel reticolo cristall<strong>in</strong>o, allo stesso<br />
modo è possib<strong>il</strong>e ottenere analogo effetto<br />
nei cristalli fotonici semplicemente <strong>in</strong>troducendo<br />
dei “difetti” nella struttura. Un semplice<br />
difetto può essere <strong>in</strong>dotto modificando,<br />
ad esempio, la dimensione di alcuni “buchi”,<br />
nel caso 2D.<br />
Un primo ut<strong>il</strong>izzo dei cristalli fotonici è<br />
quello <strong>del</strong>le guide d’onda ottiche. Queste guide<br />
possono essere costituite, ad esempio, da<br />
una s<strong>in</strong>gola l<strong>in</strong>ea di c<strong>il</strong><strong>in</strong>dri mancanti all’<strong>in</strong>terno<br />
<strong>del</strong>la quale la radiazione lum<strong>in</strong>osa si propaga<br />
<strong>in</strong>disturbata.<br />
Importante impulso si è avuto nel campo<br />
<strong>del</strong>le sorgenti dove, grazie, ad esempio, all’ut<strong>il</strong>izzo<br />
dei cristalli fotonici come elementi<br />
attivi dei LED si è scoperto come sia possib<strong>il</strong>e<br />
elim<strong>in</strong>are l’emissione spontanea che si<br />
genera al loro <strong>in</strong>terno, per mezzo <strong>del</strong>la<br />
band gap fotonica; <strong>in</strong>canalando tutta l’energia<br />
nella radiazione <strong>in</strong> uscita è possib<strong>il</strong>e aumentare<br />
enormemente l’efficienza. I Laser a<br />
cristallo fotonico hanno, <strong>in</strong> questi anni, riscosso<br />
molte attenzioni per la flessib<strong>il</strong>ità dimostrata<br />
a livello di design e <strong>in</strong>gegnerizzazione<br />
essendo <strong>in</strong> grado di garantire la possib<strong>il</strong>ità<br />
di creare sorgenti che emettono orizzontalmente<br />
o verticalmente e che possono<br />
essere fac<strong>il</strong>mente <strong>in</strong>corporate all’<strong>in</strong>terno<br />
di configurazioni tunab<strong>il</strong>i a schiera (gli<br />
arrays).<br />
Giorgio Maria Tosi Beleffi<br />
<strong>Fondazione</strong> Ugo Bordoni<br />
Iquadernidi
Le molecole organiche nelle loro varie<br />
forme (molecole leggere, catene polimeriche)<br />
sono ormai oggetto di studio<br />
di una nuova discipl<strong>in</strong>a, l’elettronica<br />
organica, che è una tecnologia <strong>in</strong>novativa che<br />
fa uso di molecole organiche piuttosto che dei<br />
classici semiconduttori <strong>in</strong>organici normalmente<br />
ut<strong>il</strong>izzati per la realizzazione di dispositivi<br />
per le più svariate applicazioni: dai transistor<br />
ai Light Emitt<strong>in</strong>g Devices (LED) per <strong>il</strong>lum<strong>in</strong>azione,<br />
ai componenti per le telecomunicazioni<br />
ottiche e per comunicazioni radio.<br />
I semiconduttori organici sono stati studiati<br />
f<strong>in</strong> dal 1940, ma solo recentemente stanno avendo<br />
un significativo impatto pratico <strong>in</strong> applicazioni<br />
optoelettroniche. La dimostrazione<br />
<strong>del</strong> funzionamento di diodi elettrolum<strong>in</strong>escenti<br />
e di OTFT (Organic Th<strong>in</strong> F<strong>il</strong>m Transistor) basati<br />
sia su molecole leggere che su polimeri<br />
coniugati e <strong>il</strong> grande aumento <strong>in</strong> performance<br />
e <strong>in</strong> efficienza dei dispositivi organici negli ultimi<br />
dieci anni hanno attratto l’attenzione <strong>del</strong>l’<strong>in</strong>dustria<br />
ed aperto le porte alle applicazioni<br />
pratiche dei semiconduttori organici.<br />
I vantaggi pr<strong>in</strong>cipali di tale tecnologia è la<br />
compatib<strong>il</strong>ità con sostanze plastiche, la bassa<br />
temperatura di lavorazione (60C°/120C°) rispetto<br />
alle temperature di crescita dei semiconduttori<br />
tradizionali, la totale compatib<strong>il</strong>ità<br />
ambientale <strong>del</strong>le tecniche di preparazione (da<br />
confrontare con la complessità e l’elevato rischio<br />
per l’ambiente e per l’uomo <strong>del</strong>le tecniche<br />
necessarie per alcuni tipi di semiconduttori<br />
<strong>in</strong>organici), l’economicità dei processi depositivi<br />
come lo sp<strong>in</strong>-coat<strong>in</strong>g, l’<strong>in</strong>k-jet pr<strong>in</strong>t<strong>in</strong>g,<br />
l’evaporazione, la possib<strong>il</strong>ità di realizzare dispositivi<br />
flessib<strong>il</strong>i su larga area. Nella figura<br />
viene mostrato un prototipo di circuito <strong>in</strong>te-<br />
le nuove tecnologie fotoniche<br />
Elettronica organica per optoelettronica<br />
Le eccezionali potenzialità <strong>del</strong>l’elettronica “organica”: un<br />
circuito <strong>in</strong>tegrato su supporto flessib<strong>il</strong>e.<br />
novembre 2003<br />
grato organico realizzato su un supporto plastico<br />
flessib<strong>il</strong>e.<br />
Altre applicazioni per gli emettitori di luce<br />
realizzati con semiconduttore organico riguardano<br />
<strong>il</strong> settore <strong>del</strong>l’<strong>il</strong>lum<strong>in</strong>azione. Questi materiali<br />
sono adatti, <strong>in</strong>fatti, a generare sorgenti<br />
diffuse a larga area.<br />
Una modifica <strong>del</strong>le caratteristiche di emissione<br />
è possib<strong>il</strong>e usando una struttura a microcavità.<br />
Tale microcavità può essere usata per restr<strong>in</strong>gere<br />
la larghezza di banda <strong>del</strong>la luce emessa,<br />
aumentare la purezza <strong>del</strong> colore, spostare la<br />
lunghezza d’onda nella regione <strong>del</strong> blu e dim<strong>in</strong>uire<br />
l’angolo di emissione aumentando <strong>il</strong> guadagno<br />
<strong>in</strong> una direzione. Molecole contenenti atomi<br />
di terre rare come erbio e neodimio sono<br />
state usate nella fabbricazione di OLED per avere<br />
emissione nell’<strong>in</strong>frarosso, <strong>in</strong> particolare<br />
nelle f<strong>in</strong>estre trasmissive <strong>del</strong>le fibre ottiche.<br />
Questa proprietà co<strong>in</strong>cide, qu<strong>in</strong>di, con una<br />
domanda potenzialmente elevata da parte <strong>del</strong><br />
settore telecomunicazioni per dispositivi elettrolum<strong>in</strong>escenti<br />
di basso costo con emissione<br />
nelle regioni <strong>del</strong>la prima (800-900 nm), seconda<br />
(1300 nm) e terza f<strong>in</strong>estra (1500 nm). Per<br />
queste lunghezze d’onda risulta particolarmente<br />
promettente lo sfruttamento <strong>del</strong>l’emissione<br />
dei complessi organici contenenti lantanidi,<br />
per la maggiore efficienza e purezza spettrale<br />
rispetto a più tradizionali sistemi organici.<br />
Le aree di ricerca per le applicazioni optoelettroniche<br />
dei semiconduttori organici sono riassunte<br />
nella figura <strong>del</strong>la pag<strong>in</strong>a seguente. Il quadro<br />
<strong>del</strong>le conoscenze scientifiche e dei risultati<br />
prelim<strong>in</strong>ari ottenuti offre buone premesse per la<br />
ricerca ulteriore e <strong>il</strong> trasferimento alla regione<br />
<strong>in</strong>frarossa degli obbiettivi tecnologici già raggiunti<br />
dall’elettrolum<strong>in</strong>escenza <strong>del</strong> visib<strong>il</strong>e.<br />
A s<strong>in</strong>istra è evidenziata la possib<strong>il</strong>ità di realizzare microdisplay<br />
mentre a destra <strong>il</strong> prototipo <strong>del</strong>la Universal<br />
Display mostra le straord<strong>in</strong>arie proprietà di flessib<strong>il</strong>ità dei<br />
display realizzati con materiali polimerici.<br />
79
80<br />
I QUADERNI DI TELÈMA<br />
Aree di ricerca emergenti per le applicazioni optoelettroniche<br />
dei semiconduttori organici.<br />
I laser a semiconduttore<br />
Tra le sorgenti di luce, i laser (Light<br />
Amplification by means of Stimulated<br />
Emission Radiation) costituiscono<br />
la famiglia più affasc<strong>in</strong>ante e la<br />
maggiormente sfruttab<strong>il</strong>e per moderne applicazioni<br />
commerciali. Oggi i laser si usano nel<br />
campo <strong>del</strong>le trasmissioni di <strong>in</strong>formazione, nella<br />
medic<strong>in</strong>a, sia <strong>in</strong> diagnostica che <strong>in</strong> cura così<br />
come per estetica, nell’<strong>in</strong>dustria pesante, per<br />
esempio per <strong>il</strong> taglio o la fusione di lastre metalliche,<br />
nel mondo <strong>del</strong>l’arte, sia per scopi di<br />
conservazione sia nell’uso diretto nelle opere<br />
artistiche, nel monitoraggio <strong>del</strong>l’atmosfera, o<br />
nell’elettronica di svago, si pensi ai lettori CD<br />
e DVD, così some <strong>in</strong> <strong>in</strong>numerevoli applicazioni<br />
nel mondo <strong>del</strong>la ricerca scientifica.<br />
I laser possono venir prodotti a partire da<br />
materiali gassosi, a stato solido o a semiconduttore.<br />
Il laser a semiconduttore presenta alcune<br />
caratteristiche che lo rendono molto più<br />
fac<strong>il</strong>mente ut<strong>il</strong>izzab<strong>il</strong>e <strong>in</strong> pratica rispetto ad altri<br />
tipi: esso è molto piccolo nelle dimensioni,<br />
<strong>del</strong>l’ord<strong>in</strong>e di 1 mm <strong>il</strong> laser vero e proprio,<br />
due-tre centimetri <strong>il</strong> laser impacchettato nella<br />
protezione termo-meccanica che ne permette<br />
anche <strong>il</strong> controllo elettrico esterno, contro le<br />
dec<strong>in</strong>e di centimetri o i metri di altri tipi di laser;<br />
ha bisogno di correnti molto basse, dec<strong>in</strong>e<br />
o cent<strong>in</strong>aia di mA, 100-1000 volte meno che<br />
altri tipi di laser. Di contro ha una potenza di<br />
Il grande <strong>in</strong>teresse presente verso tale nuova<br />
tecnologia è testimoniato dal co<strong>in</strong>volgimento a<br />
vario titolo nel mercato, o meglio nello sv<strong>il</strong>uppo,<br />
di grandi aziende mult<strong>in</strong>azionali come: Kodak,<br />
Dupont Displays (Uniax), LG Electronics,<br />
Osram, Ph<strong>il</strong>ips, Samsung, SDI, Sanyo, Seiko, Epson<br />
Corporation, Sony, TDK, STMicroelectronics,<br />
Toshiba, Tohoku, Pioneer. In particolare<br />
la Pioneer commercializza già dal 2001 un’autoradio<br />
con display realizzato con molecole organiche<br />
elettrolum<strong>in</strong>escenti. La Kodak nel corso<br />
<strong>del</strong> 2003 ha <strong>in</strong>vece commercializzato la prima<br />
fotocamera con display a LED organici.<br />
Andrea Reale<br />
Marco Berliocchi<br />
Aldo Di Carlo<br />
Dipartimento di Ingegneria Elettronica, Università<br />
di Roma Tor Vergata<br />
emissione bassa, e <strong>in</strong>fatti a poche applicazioni<br />
<strong>in</strong> ambito <strong>in</strong>dustriale, e una bassa coerenza<br />
spaziale e temporale, ed <strong>in</strong>fatti <strong>il</strong> suo fascio lum<strong>in</strong>oso<br />
si allarga a breve distanza dall’uscita,<br />
tant’è vero che spesso, e non solo nelle applicazioni<br />
di telecomunicazione, viene accoppiato<br />
ad una fibra ottica che permette <strong>il</strong> trasporto<br />
a lunghe distanze <strong>del</strong>la luce stessa senza perdere<br />
<strong>in</strong>tensità.<br />
Un semiconduttore è un materiale isolante a<br />
basse temperature e che ha una debole conducib<strong>il</strong>ità<br />
a temperatura ambiente. Esso è caratterizzato<br />
dall’esistenza di una banda proibita<br />
di energia, che separa la banda di valenza<br />
da quella di conduzione, la cui ampiezza è la<br />
pr<strong>in</strong>cipale caratteristica <strong>del</strong> semiconduttore<br />
stesso. Se ad un elettrone viene fornita l’energia<br />
necessaria a saltare dal suo stato fondamentale,<br />
nella banda di valenza, a quello eccitato<br />
posto oltre la banda proibita nella banda<br />
di conduzione, l’elettrone stesso dopo circa un<br />
nanosecondo ricadrà allo stato fondamentale,<br />
ricomb<strong>in</strong>andosi con una lacuna (si veda più avanti<br />
nel <strong>testo</strong>) emettendo un fotone di energia<br />
pari alla banda proibita. I semiconduttori<br />
hanno bande proibite di ampiezza variab<strong>il</strong>e a<br />
seconda <strong>del</strong> materiale, e che corrispondono<br />
ad energie (colori) <strong>del</strong>la luce che vanno dal vic<strong>in</strong>o<br />
ultravioletto al medio <strong>in</strong>frarosso. Se nel<br />
Iquadernidi
semiconduttore vengono eccitate un gran numero<br />
di elettroni <strong>in</strong> banda di conduzione, si<br />
può raggiungere la condizione di <strong>in</strong>versione<br />
di popolazione, ovvero vi sono più elettroni <strong>in</strong><br />
banda di conduzione che <strong>in</strong> banda di valenza.<br />
In queste condizioni avviene <strong>il</strong> meccanismo di<br />
emissione stimolata <strong>del</strong>l’emissione di luce, che<br />
è alla base di un amplificatore di luce: un elettrone<br />
che torna allo stato fondamentale emette<br />
un fotone che stimola un altro elettrone a fare<br />
lo stesso e così via <strong>in</strong> un meccanismo amplificatore.<br />
Per ottenere un laser, questo amplificatore<br />
va posto <strong>in</strong> una cavità risonante (semi)riflettente,<br />
che permette di selezionare una particolare<br />
lunghezza d’onda e avere le tipiche<br />
caratteristiche spaziali di un fascio laser.<br />
I semiconduttori possiedono la caratteristica<br />
di poter essere contam<strong>in</strong>ati (drogati)<br />
con elementi che ne cambiano le caratteristiche<br />
elettriche. Questi droganti possono creare<br />
una conducib<strong>il</strong>ità di tipo n, caratterizzata<br />
da una conducib<strong>il</strong>ità di tipo elettronico, oppure<br />
da una conducib<strong>il</strong>ità di tipo p, e cioè<br />
basata sulle lacune, <strong>del</strong>le pseudoparticelle<br />
che possono essere descritte come degli elettroni<br />
mancanti: un elettrone che viene eccitato<br />
nella banda di conduzione lascia <strong>in</strong><br />
banda di valenza una lacuna, che ha carica<br />
positiva e che si muoverà, <strong>in</strong> presenza di<br />
campo elettrico, <strong>in</strong> direzione opposta a quella<br />
<strong>in</strong> cui si muovono gli elettroni. Per ricordare<br />
un celebre esempio, immag<strong>in</strong>ate di avere<br />
un parcheggio <strong>in</strong> cui vi è un unico posto<br />
vuoto <strong>in</strong> prima f<strong>il</strong>a e tutte gli altri posti sono<br />
occupati: se le macch<strong>in</strong>e si spostano <strong>in</strong> avanti,<br />
una dopo l’altra, per occupare, la prima<br />
quel posto e le altre via via <strong>il</strong> posto vuoto generato<br />
dalla macch<strong>in</strong>a che precede, <strong>il</strong> movimento<br />
<strong>in</strong> avanti <strong>del</strong>le automob<strong>il</strong>i può essere<br />
visto come uno spostamento all’<strong>in</strong>dietro <strong>del</strong><br />
posto vuoto: la lacuna, appunto. Il processo<br />
di ricomb<strong>in</strong>azione radiativa descritto sopra,<br />
viene generalmente visto come la ricomb<strong>in</strong>azione<br />
di un elettrone eccitato <strong>in</strong> banda di<br />
conduzione con una lacuna creata <strong>in</strong> banda<br />
di valenza dall’assenza di un elettrone eccitato.<br />
Si parla qu<strong>in</strong>di <strong>in</strong> generale di ricomb<strong>in</strong>azione<br />
bipolare.<br />
Se vengono cresciuti due strati adiacenti<br />
<strong>del</strong>lo stesso semiconduttore, ma uno con conducib<strong>il</strong>ità<br />
di tipo n e l’altro con conducib<strong>il</strong>ità<br />
di tipo p. si forma quella che viene chiamata<br />
giunzione p-n, che è alla base dei diodi e dei<br />
transistor, che, opportunamente polarizzata,<br />
permette un forte passaggio di cariche da un<br />
novembre 2003<br />
le nuove tecnologie fotoniche<br />
lato all’altro <strong>del</strong>la giunzione, corrente che provoca<br />
una forte eccitazione <strong>del</strong> semiconduttore<br />
e la conseguente emissione di una <strong>in</strong>tensa luce.<br />
Le faccette di sfaldatura <strong>del</strong> semiconduttore<br />
creano poi la cavità ottica necessaria.<br />
Come abbiamo detto, i laser a semiconduttore<br />
coprono attualmente una regione <strong>del</strong>lo<br />
spettro che va dal blu all’<strong>in</strong>frarosso, nella pratica<br />
commerciale sono oggi disponib<strong>il</strong>i sul<br />
mercato laser che vanno da 400 a 1600 nm.<br />
Laser che emettono nel rosso, nel giallo e nel<br />
blu possono essere usati contemporaneamente<br />
<strong>in</strong> apparecchi televisivi di moderna concezione,<br />
che potranno essere una valida alternativa<br />
agli attuali apparecchi che funzionano<br />
con cristalli liquidi o con plasmi. Altre applicazioni<br />
dei laser a semiconduttore sono le trasmissioni<br />
ottiche dei moderni sistemi di telecomunicazione,<br />
l’elettronica di svago (CD e<br />
DVD), applicazioni mediche come la diagnostica<br />
non <strong>in</strong>vasiva (ad esempio la misura <strong>del</strong>la<br />
glicemia oppure la diagnosi precoce <strong>del</strong> tumore<br />
<strong>del</strong> seno), <strong>il</strong> monitoraggio di gas (ad esempio<br />
per <strong>il</strong> controllo di combustioni o per<br />
misure di <strong>in</strong>qu<strong>in</strong>amento).<br />
Recentemente nei laboratori Bell <strong>del</strong>la Lucent<br />
technology è stato sv<strong>il</strong>uppato un nuovo<br />
tipo di laser a semiconduttore, detto a cascata<br />
quantica, che potrà essere ut<strong>il</strong>izzato sia nel<br />
campo <strong>del</strong> monitoraggio <strong>del</strong>l’<strong>in</strong>qu<strong>in</strong>amento<br />
atmosferico, così come <strong>in</strong> quello <strong>del</strong>la diagnostica<br />
medica a microonde e nelle telecomunicazioni<br />
<strong>in</strong> aria. Il laser a cascata quantica si dist<strong>in</strong>gue<br />
dai laser descritti precedentemente <strong>in</strong><br />
quanto non si tratta di un dispositivo bipolare,<br />
Schema di funzionamento di un laser: una corrente<br />
eccita gli elettroni dallo stato fondamentale a quello<br />
eccitato; dallo stato eccitato l’elettrone tende a<br />
decadere nello stato fondamentale emettendo un fotone:<br />
la luce, appunto.-Nel laser vengono eccitati un<br />
gran numero di elettroni, tanti da averne di più nello<br />
stato eccitato che <strong>in</strong> quello fondamentale. In queste<br />
condizioni, può avvenire la cosiddetta emissione stimolata:<br />
un fotone stimola cioè un altro elettrone a<br />
decadere verso lo stato fondamentale.<br />
81
82<br />
I QUADERNI DI TELÈMA<br />
Laser tradizionale Laser a cascata quantica<br />
quanto di uno unipolare: solo gli elettroni partecipano<br />
al processo radiativo, mentre le lacune<br />
non ne sono co<strong>in</strong>volte. Questo è reso possib<strong>il</strong>e<br />
dallo sfruttamento di una proprietà dei<br />
semiconduttori quando lo strato cresciuto è<br />
così sott<strong>il</strong>e da poter essere considerato bidimensionale.<br />
Nello spazio bidimensionale, la<br />
banda di conduzione (ma anche quella di valenza)<br />
è <strong>in</strong> realtà composta da una serie di sottobande<br />
separate <strong>in</strong> energia per valori corrispondenti<br />
a lunghezze d’onda maggiori di<br />
2000 nm. Il laser sfrutta <strong>il</strong> r<strong>il</strong>assamento di elettroni<br />
eccitati <strong>in</strong> sottobande più alte verso le<br />
sottobande <strong>in</strong>feriori, con sim<strong>il</strong>e pr<strong>in</strong>cipio di<br />
quello descritto per la ricomb<strong>in</strong>azione elettrone-lacuna.<br />
Nonostante <strong>il</strong> niobato di litio sia studiato,<br />
per applicazioni <strong>in</strong> ottica <strong>in</strong>tegrata, da<br />
almeno trenta anni, nuove tecniche di<br />
microstrutturazione consentono di migliorare<br />
le prestazioni dei dispositivi basati su tale<br />
materiale ferroelettrico. In questo contributo descriveremo<br />
brevemente queste nuove tecniche di<br />
microlavorazione; ci soffermeremo, poi, a titolo<br />
di esempio, su di un dispositivo elettro-ottico <strong>in</strong>tegrato<br />
che sfrutta l’<strong>in</strong>gegnerizzazione dei dom<strong>in</strong>i<br />
ferroelettrici per migliorare le prestazioni <strong>in</strong> term<strong>in</strong>i<br />
di rapporto banda/tensione di modulazione.<br />
Il Niobato di Litio (LN) è, senza dubbio, uno<br />
dei materiali più ampiamente usati nelle tecnologie<br />
fotoniche, grazie soprattutto ad una comb<strong>in</strong>azione<br />
unica di proprietà, quali un ampio <strong>in</strong>tervallo<br />
spettrale <strong>in</strong> cui è trasparente, la possibi-<br />
L’emissione di un s<strong>in</strong>golo strato di semiconduttore,<br />
viene poi amplificato mediante l’attraversamento<br />
di cent<strong>in</strong>aia di strati uguali, alternati<br />
ad altri aventi una banda proibita più larga <strong>del</strong>lo<br />
strato emettente, e opportunamente polarizzati,<br />
f<strong>in</strong>o a raggiungere le caratteristiche necessarie a<br />
realizzare un laser. Lo sfruttamento <strong>in</strong>dustriale<br />
di questo laser è ancora <strong>in</strong> una fase <strong>in</strong>iziale, ma<br />
<strong>il</strong> fatto che con questa tecnica si possa coprire<br />
una regione <strong>del</strong>lo spettro elettromagnetico non<br />
coperta dai normali diodi laser, rende questo<br />
nuovo dispositivo di grande <strong>in</strong>teresse.<br />
Faust<strong>in</strong>o Martelli<br />
Laboratorio TASC- <strong>del</strong>l’Istituto Nazionale per la Fisica<br />
<strong>del</strong>la Materia Trieste<br />
Microdispositivi fotonici <strong>in</strong> Niobato<br />
di Litio<br />
lità di realizzare guide d’onda a bassa perdita,<br />
una elevata non-l<strong>in</strong>earità al secondo ord<strong>in</strong>e (e,<br />
pertanto, la presenza di effetti elettro-ottici e<br />
non-l<strong>in</strong>eari significativi), fotorifrattività, effetto<br />
piezoelettrico ed effetto piroelettrico. LN è, a<br />
tutt’oggi, oggetto di una vasta ricerca, che è diventata<br />
di avanguardia per applicazioni <strong>in</strong> diversi<br />
campi, come ad esempio nelle telecomunicazioni<br />
ottiche, nei sensori ottici e nelle memorie<br />
ottiche. Nuove tecniche di s<strong>in</strong>tesi e di microlavorazione<br />
per LN possono portare alla realizzazione<br />
di dispositivi microstrutturati con caratteristiche<br />
migliorate, che potrebbero potenzialmente<br />
avere un ampio uso per la realizzazione di dispositivi<br />
fotonici ad alte prestazioni. Ad esempio,<br />
campioni di LN possono essere cresciuti<br />
con una specifica composizione ed orientazione<br />
Iquadernidi
<strong>del</strong>la struttura ferroelettrica (dom<strong>in</strong>i). Questi<br />
campioni, così come quelli commercialmente<br />
disponib<strong>il</strong>i, sono realizzati con proprietà l<strong>in</strong>eari,<br />
non-l<strong>in</strong>eari, fotorifrattive e di amplificazione<br />
scelte <strong>in</strong> base alle specifiche applicazioni.<br />
Per quanto riguarda la realizzazione dei cristalli<br />
fotonici si ut<strong>il</strong>izzano tecniche non tradizionali<br />
<strong>in</strong> ottica, ma già abbondantemente messe a<br />
punto per i semiconduttori, quali i trattamenti<br />
Laser, l’Impiantazione Ionica ad Alta Energia e i<br />
trattamenti termici a transiente, cosi come altre<br />
tecniche più avanzate, quali la “scrittura” con<br />
laser al femtosecondo e polarizzazione con<br />
campi elettrici. Infatti, l’<strong>in</strong>dice di rifrazione <strong>del</strong><br />
LN può essere cambiato usando assorbimento<br />
multifotonico con impulsi laser al femtosecondo,<br />
consentendo anche la realizzazione di strutture<br />
a guida d’onda 3D. L’uso di sorgenti laser<br />
UV ad eccimeri può alterare la superficie <strong>del</strong><br />
materiale per ablazione e, <strong>in</strong> tal modo, strutture<br />
come reticoli superficiali o guide d’onda “ridge”<br />
possono essere ottenute. Un processo alternativo<br />
per ottenere <strong>il</strong> pattern<strong>in</strong>g superficiale si basa<br />
sull’uso di una diversa velocità di corrosione<br />
presentata dalle direzioni cristallografiche Z+ e<br />
Z- <strong>del</strong> LN. Se si prepara un campione, prima <strong>del</strong><br />
processo di corrosione, <strong>in</strong>vertendo i dom<strong>in</strong>i di<br />
polarizzazione di aree selezionate, è possib<strong>il</strong>e<br />
ottenere microstrutture superficiali.<br />
La risposta non l<strong>in</strong>eare <strong>del</strong> LN può essere<br />
anch’essa alterata con una appropriata <strong>in</strong>versione<br />
dei dom<strong>in</strong>i ottenuta con un processo di<br />
polarizzazione. In aggiunta, l’<strong>in</strong>terferometria<br />
olografica, congiuntamente a tecniche che<br />
le nuove tecnologie fotoniche<br />
fanno di uso di corrosione chimica (o polarizzazione)<br />
può produrre strutture “photonic<br />
bandgap” (PBG <strong>in</strong> <strong>in</strong>glese) con proprietà periodiche<br />
l<strong>in</strong>eari e non-l<strong>in</strong>eari.<br />
Tra le possib<strong>il</strong>i applicazioni dei dispositivi si<br />
possono elencare: commutazione/modulazione<br />
elettro-ottica <strong>in</strong>tegrata con dom<strong>in</strong>io <strong>in</strong>gegnerizzato<br />
ad onda viaggiante, conversione di<br />
frequenza con alta efficienza e risposta <strong>in</strong> frequenza<br />
calibrata, guide d’onda “ridge” per modulazione<br />
elettro-ottica a basso voltaggio,<br />
“grooves” di tipo quadrato poco sensib<strong>il</strong>i a drift<br />
piroelettrico e danneggiamento fotorifrattivo<br />
per all<strong>in</strong>eamento e ottimizzazione <strong>del</strong>l’accoppiamento<br />
di guide d’onda e fibre. Questi dispositivi<br />
ottimizzati e m<strong>in</strong>iaturizzati possono essere<br />
anche <strong>in</strong>corporati <strong>in</strong> spettrometri ad alta sensib<strong>il</strong>ità<br />
per rivelazione <strong>in</strong> traccia e <strong>in</strong> sistemi per<br />
la generazione efficiente di coppie di fotoni accoppiati<br />
<strong>in</strong> tempo ed energia, usando processi<br />
di conversione parametrica. Microstrutturazioni<br />
sp<strong>in</strong>te sono <strong>in</strong> fase di studio; ci si propone studiare<br />
i limiti per la def<strong>in</strong>izione di “patterns” sia<br />
l<strong>in</strong>eari che non-l<strong>in</strong>eari, cercando di determ<strong>in</strong>are<br />
quanto piccola può essere la dimensione di<br />
una cella elementare e quali sono i limiti fisici<br />
che la determ<strong>in</strong>ano. Se si riuscissero a realizzare<br />
buche sub-micrometriche periodiche con<br />
sufficiente profondità <strong>in</strong> f<strong>il</strong>m sott<strong>il</strong>i di LN, sarebbe<br />
allora possib<strong>il</strong>e ottenere circuiti ottici <strong>in</strong>tegrati<br />
2-D ad alta densità mentre la realizzazione<br />
di dom<strong>in</strong>i submicrometrici potrebbe consentire,<br />
per la prima volta, di osservare osc<strong>il</strong>lazione<br />
parametrica ottica senza uso di specchi.<br />
Confronto <strong>del</strong>le risposte elettro-ottiche di un modulatore convenzionale con uno che presenta i dom<strong>in</strong>i <strong>in</strong>vertiti nell’ultimo<br />
tratto <strong>del</strong>la l<strong>in</strong>ea modulante. È evidente <strong>il</strong> miglioramento <strong>del</strong>le prestazioni, rispettivamente, a parità di banda e a par-<br />
novembre 2003<br />
83
84<br />
I QUADERNI DI TELÈMA<br />
Come esempio di applicazione che sfrutta<br />
l’<strong>in</strong>gegnerizzazione tramite polarizzazione elettrica<br />
(pol<strong>in</strong>g) riportiamo un modulatore elettroottico<br />
<strong>in</strong>tegrato dove l’<strong>in</strong>terazione tra l’onda ottica<br />
e la micro-onda modulante avviene, all’<strong>in</strong>terno<br />
<strong>del</strong> LN, <strong>in</strong> due regioni successive con<br />
struttura ferroelettrica <strong>in</strong>vertita (o dom<strong>in</strong>i <strong>in</strong>vertiti)<br />
una rispetto all’altra. In tale configurazione,<br />
nell’ipotesi <strong>in</strong> cui la banda <strong>del</strong> modulatore sia<br />
limitata dalle perdite <strong>del</strong>la l<strong>in</strong>ea a microonde,<br />
ossia <strong>in</strong> condizioni di uguaglianza degli <strong>in</strong>dici<br />
di rifrazione per le frequenza ottiche e per la l<strong>in</strong>ea<br />
a microonde (phase velocity match<strong>in</strong>g), la<br />
presenza <strong>del</strong>la regione f<strong>in</strong>ale con i dom<strong>in</strong>i <strong>in</strong>vertiti<br />
rispetto a quella <strong>in</strong>iziale ha un effetto di<br />
equalizzazione <strong>del</strong>le variazioni di fase <strong>in</strong>dotte<br />
sull’onda ottica dalle basse e dalle alte frequen-<br />
La conversione tutta ottica<br />
di frequenza<br />
Come è stato descritto <strong>in</strong> un precedente<br />
articolo, la spostamento nel dom<strong>in</strong>io<br />
<strong>del</strong>la frequenza, a livello tutto ottico,<br />
di un segnale sarebbe un requisito<br />
fondamentale per le future reti di telecomunicazione.<br />
Basti pensare ad esempio all’importanza<br />
di poter allocare i canali nella trasmissione<br />
WDM secondo criteri di occupazione<br />
che possono cambiare da un collegamento<br />
ad un altro. Attualmente sono stati sperimentati<br />
diversi dispositivi che permettono la realizzazione<br />
di questo processo tutto a livello ottico.<br />
Nell’ambito <strong>del</strong> progetto Europeo IST A-<br />
TLAS (2000-2002) sono stati studiati e sperimentati<br />
ben quattro diversi tipi di convertitori<br />
di frequenza ottici e basati sui seguenti dispositivi:<br />
guida d’onda <strong>in</strong> Niobato di Litio (LN),<br />
amplificatore a semiconduttore (SOA), amplificatore<br />
Multi Quantum Well (MQW) e fibra ottica<br />
con dispersione spostata (DS). Tutti questi<br />
dispositivi hanno mostrato <strong>del</strong>le eccellenti<br />
prestazioni e molte <strong>in</strong>formazioni possono essere<br />
trovate nel sito (www.fub.it/atlas). In<br />
particolare è stato dimostrato che <strong>in</strong>serendo <strong>in</strong><br />
questi dispositivi un canale che trasportava<br />
<strong>del</strong>la <strong>in</strong>formazione anche ad altissima capacità<br />
(40 Gb/s) era possib<strong>il</strong>e cambiare la frequenza<br />
ottica <strong>del</strong> segnale, anche <strong>in</strong> un <strong>in</strong>tervallo molto<br />
ampio di frequenze (dec<strong>in</strong>e di nanometri)<br />
senza produrre sul segnale di uscita <strong>del</strong>le apprezzab<strong>il</strong>i<br />
distorsioni. In particolare i dispositi-<br />
ze modulanti. Più precisamente, l’effetto <strong>del</strong>la<br />
regione con i dom<strong>in</strong>i <strong>in</strong>vertiti agisce selettivamente<br />
solo alle basse frequenze modulanti;<br />
l’ottimizzazione <strong>del</strong> rapporto <strong>del</strong>la sua lunghezza<br />
con quella complessiva <strong>del</strong>la l<strong>in</strong>ea modulante<br />
permette dunque un appiattimento <strong>del</strong>la risposta<br />
<strong>in</strong> frequenza <strong>del</strong> dispositivo come mostrato<br />
<strong>in</strong> figura. In questo modo è possib<strong>il</strong>e realizzare<br />
modulatori con un rapporto banda/tensione<br />
di p<strong>il</strong>otaggio superiore anche <strong>del</strong> 30% rispetto<br />
a quello di un modulatore che presenta<br />
una l<strong>in</strong>ea standard senza <strong>in</strong>versione dei dom<strong>in</strong>i.<br />
Federico Lucchi<br />
Valerio Pruneti<br />
Avanex Corporation – Sede Secondaria, San Donato<br />
M<strong>il</strong>anese (MI)<br />
vi che hanno mostrato le migliori prestazioni<br />
sono quelli al Niobato di Litio e quelli con amplificatori<br />
a semiconduttore.<br />
Per mostrare le potenzialità <strong>del</strong> processo di<br />
conversione, la guida <strong>in</strong> LN è stata ut<strong>il</strong>izzata <strong>in</strong><br />
un esperimento di trasmissione di più canali a 40<br />
Gb/s <strong>in</strong> un collegamento <strong>in</strong> fibra ottica tra Roma<br />
e Pomezia. Per dimostrare la potenzialità su collegamenti<br />
anche molto lunghi le fibre contenute<br />
nel cavo sono state connesse <strong>in</strong> modo da emulare<br />
un collegamento complessivo di 500 km. Tramite<br />
questo convertitore si è cambiata la frequenza<br />
di un canale dopo un primo percorso<br />
lungo 300 km e si sono misurate le prestazioni di<br />
questo segnale dopo la sua propagazione per altri<br />
200 km. I risultati hanno mostrato che non erano<br />
presenti apprezzab<strong>il</strong>i deterioramenti <strong>del</strong> segnale<br />
dopo la conversione di frequenza anche<br />
<strong>in</strong> presenza di una lunga propagazione. Questi<br />
risultati sono molto <strong>in</strong>coraggianti e ci permettono<br />
di affermare che la conversione ottica di frequenza<br />
è ormai un processo su cui le future reti<br />
di telecomunicazione possono contare.<br />
Paola Griggio<br />
Università di Padova<br />
Alessandro Schiff<strong>in</strong>i Pirelli<br />
LABS<br />
Iquadernidi<br />
Sergio Cascelli<br />
ISCTI
I Fotorifrattivi<br />
Idispositivi ottici <strong>il</strong>lustrati s<strong>in</strong>o ad ora,<br />
anche se presentano <strong>del</strong>le prestazioni<br />
eccellenti, hanno una limitazione che<br />
consiste nell’assoluta mancanza di flessib<strong>il</strong>ità<br />
dei circuiti basati sulle varie strutture<br />
f<strong>in</strong>o ad ora riportate. Se da una parte, <strong>in</strong>fatti,<br />
la tecnologia e i processi di <strong>in</strong>gegnerizzazione<br />
ad essi collegati sono ormai maturi e<br />
qu<strong>in</strong>di poco costosi, dall’altra si manifesta<br />
una impossib<strong>il</strong>ità di adattare e modificare, a<br />
seconda <strong>del</strong>le esigenze <strong>del</strong> momento, la<br />
struttura <strong>in</strong>terna guidante una volta che questa<br />
sia stata impressa sul wafer. Il traguardo<br />
da raggiungere qu<strong>in</strong>di, parallelamente al<br />
cont<strong>in</strong>uo raff<strong>in</strong>amento <strong>del</strong>le tecniche s<strong>in</strong> qui<br />
menzionate, è quello di ottenere un dispositivo<br />
completamente riconfigurab<strong>il</strong>e a livello<br />
ottico. La flessib<strong>il</strong>ità, <strong>in</strong> questo caso, sarebbe<br />
totale potendosi ut<strong>il</strong>izzare lo stesso mezzo ospite<br />
per ottenere diverse tipologie di dispositivi<br />
fotonici semplicemente cancellando i<br />
pre-esistenti circuiti ottici <strong>in</strong>terni e scrivendone<br />
altri completamente diversi ma adatti<br />
alle sopraggiunte necessità.<br />
In questo panorama, tra la moltitud<strong>in</strong>e di<br />
possib<strong>il</strong>i attori, si collocano i solitoni spaziali<br />
fotorifrattivi.<br />
Ma cos’è un solitone spaziale e come funziona<br />
l’effetto fotorifrattivo? Quando un fascio di<br />
luce si propaga nello spazio tende, a causa <strong>del</strong>l’effetto<br />
noto come diffrazione, ad allargarsi<br />
lungo <strong>il</strong> suo camm<strong>in</strong>o e tale effetto è tanto più<br />
evidente quanto più le dimensioni <strong>del</strong> fascio risultano<br />
piccole. Questo effetto sembrerebbe <strong>in</strong>sormontab<strong>il</strong>e<br />
da superare se non si facesse uso<br />
<strong>del</strong>la forte non l<strong>in</strong>earità presente, sotto certe<br />
condizioni, <strong>in</strong> particolari cristalli. Quando la lu-<br />
novembre 2003<br />
le nuove tecnologie fotoniche<br />
ce si propaga <strong>in</strong> questi mezzi è <strong>in</strong> grado, ionizzando<br />
le impurità presenti al loro <strong>in</strong>terno, di<br />
promuovere <strong>del</strong>le transizioni dai siti donori,<br />
presenti <strong>in</strong> opportune concentrazioni, alla banda<br />
di conduzione. Gli elettroni tenderanno così<br />
a muoversi, per effetto <strong>del</strong>la diffusione e <strong>del</strong><br />
drift, e a ricomb<strong>in</strong>arsi dando luogo ad un così<br />
detto campo <strong>in</strong>terno di carica spaziale. Il suddetto<br />
campo è <strong>in</strong> grado di modulare l’<strong>in</strong>dice di<br />
rifrazione <strong>del</strong> mezzo <strong>in</strong> maniera non trascurab<strong>il</strong>e<br />
generando un camm<strong>in</strong>o (pattern) focalizzante.<br />
Il b<strong>il</strong>anciamento, qu<strong>in</strong>di, tra la naturale diffrazione<br />
e l’auto focalizzazione <strong>del</strong> fascio da orig<strong>in</strong>e<br />
ad un’onda solitonica, ad una guida ottica<br />
letteralmente “scritta” dentro <strong>il</strong> cristallo.<br />
I fattori <strong>in</strong> gioco che permettono di raggiungere<br />
questo risultato sono qu<strong>in</strong>di da ricercarsi<br />
nella presenza di un fascio ottico<br />
con una opportuna <strong>in</strong>tensità e lunghezza<br />
d’onda (tipicamente nella regione <strong>del</strong> visib<strong>il</strong>e),<br />
<strong>in</strong> grado cioè di promuovere elettroni <strong>in</strong><br />
banda di conduzione, un voltaggio statico<br />
applicato, atto a pesare opportunamente <strong>il</strong><br />
campo elettrico <strong>in</strong>terno <strong>in</strong>dotto dalla separazione<br />
<strong>del</strong>le cariche, ed una temperatura adeguata,<br />
per ottenere la più alta risposta possib<strong>il</strong>e<br />
dal mezzo.<br />
Il concetto importante da tenere presente,<br />
<strong>in</strong> questo tipo di fenomenologia, è che spegnendo<br />
<strong>il</strong> nostro segnale <strong>in</strong> fase di scrittura,<br />
ovvero togliendo la nostra penna dal foglio,<br />
la guida, così come un <strong>testo</strong> appena scritto,<br />
cont<strong>in</strong>ua a rimanere li dove l’abbiamo impressa;<br />
questo perché una volta separate, le<br />
cariche rimangono <strong>in</strong> questa loro nuova posizione<br />
a meno che non vengano <strong>il</strong>lum<strong>in</strong>ate<br />
con una sorgente lum<strong>in</strong>osa la cui lunghezza<br />
d’onda sia <strong>in</strong> grado di promuovere nuove<br />
Particolare <strong>del</strong> cristallo fotorifrattivo ut<strong>il</strong>izzato presso i laboratori <strong>Fondazione</strong> Ugo Bordoni- ISCTI e risultati sperimentali.<br />
85
86<br />
I QUADERNI DI TELÈMA<br />
transizioni elettroniche. La presenza o l’assenza<br />
di un voltaggio applicato fa si che nel<br />
cristallo si manifesti, o rimanga quiescente,<br />
la distribuzione di carica creata proprio come<br />
l’<strong>in</strong>chiostro “simpatico” è <strong>in</strong> grado di far<br />
apparire, su un foglio apparentemente privo<br />
di simboli, un frase o un <strong>in</strong>tero <strong>testo</strong> se opportunamente<br />
sottoposto ad uno stimolo esterno.<br />
L’<br />
Lavvento <strong>del</strong>l’era <strong>del</strong>l’<strong>in</strong>formazione sta<br />
producendo una costante crescita <strong>del</strong><br />
traffico dati. Il MultiProtocol Label<br />
Switch<strong>in</strong>g (MPLS) è una soluzione<br />
flessib<strong>il</strong>e e scalab<strong>il</strong>e per soddisfare i requisiti<br />
di gestione <strong>del</strong>la banda e di qualità <strong>del</strong> servizio<br />
nelle reti backbone di nuova generazione<br />
basate su IP (IP/MPLS). Il concetto fondamentale<br />
è quello di associare un’etichetta (label) a<br />
ciascun pacchetto che attraversa la rete separando<br />
la componente <strong>del</strong>la decisione di <strong>in</strong>stradamento,<br />
gestita dai protocolli IP, da quella<br />
<strong>del</strong>l’effettiva attuazione <strong>del</strong>lo smistamento<br />
dei pacchetti gestita tramite la commutazione<br />
di etichetta.<br />
Attualmente i cristalli fotorefrattivi vengono<br />
ut<strong>il</strong>izzati per la realizzazione di guide conf<strong>in</strong>ate<br />
e giunzioni ad Y osc<strong>il</strong>lanti, ma <strong>in</strong> pr<strong>in</strong>cipio<br />
possono però permettere la realizzazione di<br />
altri dispositivi come ad esempio gli optical<br />
cross connect.<br />
Giorgio Maria Tosi Beleffi<br />
<strong>Fondazione</strong> Ugo Bordoni<br />
Il piano di controllo ottico <strong>del</strong>le reti<br />
ASON/GMPLS<br />
Scenario di rete di riferimento.<br />
In questo con<strong>testo</strong>, nasce <strong>il</strong> problema di ottimizzare<br />
(<strong>in</strong> term<strong>in</strong>i di costi, velocità e qualità)<br />
la rete di trasporto ottico per <strong>in</strong>tegrare servizi<br />
sia a livello IP/MPLS sia direttamente basati<br />
su circuiti ottici.Risulta qu<strong>in</strong>di naturale considerare<br />
come soluzione, l’estensione <strong>del</strong> paradigma<br />
di controllo <strong>del</strong>lo strato IP/MPLS anche<br />
allo strato ottico, <strong>in</strong> modo da consentire<br />
una gestione <strong>in</strong>tegrata di entrambi gli strati, <strong>in</strong><br />
una architettura di tipo ASON (Automatically<br />
Switched Optical Network) basata su protocolli<br />
GMPLS (Generalised Multi-Protocol Label<br />
Switch<strong>in</strong>g).<br />
In particolare ASON è l’acronimo adottato<br />
<strong>in</strong> ITU-T per <strong>in</strong>dicare reti ottiche (sia SDH sia<br />
Iquadernidi
OTN) dotate di un piano di controllo, <strong>il</strong> quale,<br />
grazie a protocolli di segnalazione e rout<strong>in</strong>g,<br />
consente l’<strong>in</strong>staurazione e la riconfigurazione<br />
automatica di connessioni ottiche. GMPLS è<br />
<strong>in</strong>vece un term<strong>in</strong>e coniato <strong>in</strong> IETF (Internet<br />
Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g Task Force) per <strong>in</strong>dicare un’architettura<br />
di rete ed un <strong>in</strong>sieme di protocolli, tipicamente<br />
espansione di protocolli def<strong>in</strong>iti per<br />
IP/MPLS, che consentono <strong>il</strong> controllo di apparati<br />
per l’<strong>in</strong>stradamento di pacchetti e circuiti.<br />
La pr<strong>in</strong>cipale caratteristica di una rete ottica<br />
ASON è la capacità di realizzare tre tipi di connessioni<br />
end-to-end cosiddette permanent,<br />
soft-permanent e switched.<br />
In particolare, una connessione permanent<br />
è creata dal sistema di gestione (o dall’<strong>in</strong>tervento<br />
umano) configurando ogni apparato<br />
lungo <strong>il</strong> percorso. Una connessione soft-permanent<br />
è sempre creata dal sistema di gestione,<br />
tuttavia questa volta configurando <strong>il</strong> solo<br />
apparato <strong>in</strong>iziale; quest’ultimo, poi, attraverso<br />
<strong>il</strong> piano di controllo ottico, ovvero usando la<br />
segnalazione ed i protocolli di rout<strong>in</strong>g, stab<strong>il</strong>isce<br />
la connessione end-to-end. Una connessione<br />
switched può essere richiesta direttamente<br />
da un apparato <strong>del</strong>la rete client (ad esempio<br />
IP/MPLS o addirittura dal cliente stesso)<br />
e viene <strong>in</strong>staurata attraverso la comunicazione<br />
tra i piani di controllo.<br />
Nella figura sotto si riporta uno scenario di<br />
riferimento dove la rete ASON agisce come<br />
strato server per diverse reti client, ad esempio<br />
IP/MPLS, SDH, circuiti ottici nativi (Optical<br />
Transport Hierarchy-OTH).<br />
L’architettura di una rete ottica ASON/GM-<br />
PLS prevede tre piani funzionali rispettivamente<br />
per <strong>il</strong> trasporto, la gestione ed <strong>il</strong> controllo<br />
di rete:<br />
Il piano di trasporto permette <strong>il</strong> trasferimento<br />
sia <strong>del</strong> traffico sia <strong>del</strong>le <strong>in</strong>formazioni di controllo<br />
e gestione di rete. Inoltre <strong>il</strong> piano di trasporto<br />
r<strong>il</strong>eva <strong>in</strong>formazioni sullo stato <strong>del</strong>le connessioni<br />
(ad es. guasti e qualità <strong>del</strong> segnale).<br />
Il piano di gestione esegue funzioni di gestione<br />
dei guasti, di controllo <strong>del</strong>le prestazioni,<br />
di configurazione, di account<strong>in</strong>g e di sicurezza<br />
per i piani di trasporto e controllo.<br />
Il piano di controllo può creare ed abbattere<br />
d<strong>in</strong>amicamente circuiti soft-permanent e<br />
switched e può restaurare le connessioni <strong>in</strong> caso<br />
di guasto. Inoltre <strong>il</strong> piano di controllo trasporta<br />
anche le <strong>in</strong>formazioni sullo stato dei<br />
l<strong>in</strong>k di rete (ad es. adiacenze, capacità disponib<strong>il</strong>e,<br />
ecc.).<br />
novembre 2003<br />
le nuove tecnologie fotoniche<br />
In questa sezione l’attenzione verrà focalizzata<br />
sul piano di controllo, che costituisce l’elemento<br />
<strong>in</strong>novativo su cui si basa la cosiddetta<br />
<strong>in</strong>telligenza distribuita <strong>del</strong>le reti ASON/GM-<br />
PLS. L’architettura <strong>del</strong> piano di controllo è descritta<br />
dalla Raccomandazione ITU-T G.8080<br />
[1] <strong>in</strong> term<strong>in</strong>i di componenti, ovvero di entità<br />
astratte che realizzano determ<strong>in</strong>ate funzionalità<br />
attraverso una o più <strong>in</strong>terfacce.<br />
Le tre funzionalità di base realizzate dal Piano<br />
di Controllo sono Resource Discovery,<br />
Rout<strong>in</strong>g, Connection Management. La funzionalità<br />
di resource discovery consente l’<strong>in</strong>dividuazione<br />
e l’<strong>in</strong>ventario automatici <strong>del</strong>le risorse<br />
di rete come ad esempio porte, banda e capacità<br />
di multiplazione, ecc. La funzionalità di<br />
rout<strong>in</strong>g consente di determ<strong>in</strong>are l’<strong>in</strong>stradamento<br />
dei circuiti (anche secondo strategie di<br />
traffic eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g/capacity management) e<br />
di fornire <strong>in</strong>formazioni sugli elementi di topologia<br />
di rete <strong>in</strong>dividuati. La funzionalità di<br />
connection management consente l’<strong>in</strong>staurazione/abbattimento<br />
ed <strong>il</strong> controllo end-to-end<br />
dei circuiti; essa <strong>in</strong>clude anche la modifica e<br />
l’<strong>in</strong>terrogazione <strong>del</strong>lo stato <strong>del</strong>le connessioni.<br />
Queste tre funzionalità di base consentono<br />
di <strong>in</strong>trodurre funzioni di rete complesse quali:<br />
Ri-stab<strong>il</strong>imento veloce <strong>del</strong>la connesssione<br />
Provision<strong>in</strong>g automatico di connessioni<br />
soft-permanent<br />
Capacity Management (<strong>in</strong>tesa come <strong>in</strong>sieme<br />
di tecniche per l’<strong>in</strong>troduzione automatica<br />
di nuova capacità <strong>in</strong> rete e per l’ut<strong>il</strong>izzo ottimale<br />
<strong>del</strong>la capacità disponib<strong>il</strong>e)<br />
Queste funzionalità complesse saranno<br />
molto probab<strong>il</strong>mente le prime funzionalità <strong>in</strong>novative<br />
<strong>in</strong>trodotte <strong>in</strong> rete grazie alle soluzioni<br />
ASON/GMPLS.<br />
In generale, si può concludere che l’<strong>in</strong>troduzione<br />
<strong>in</strong> rete <strong>del</strong>le funzionalità ab<strong>il</strong>itate dal<br />
piano di controllo potrà avere un <strong>in</strong>fluenza sia<br />
sull’automazione dei processi sia sul controllo<br />
<strong>in</strong>tegrato dei due strati, IP/MPLS e ottico. Come<br />
precedentemente <strong>in</strong>dicato, l’<strong>in</strong>troduzione<br />
di queste funzionalità potrebbe avere un sensib<strong>il</strong>e<br />
impatto nel contenimento dei CAPEX,<br />
nella riduzione degli OPEX e nell’<strong>in</strong>troduzione<br />
di nuove tipologie di servizi, caratterizzate da<br />
elevata flessib<strong>il</strong>ità e adattab<strong>il</strong>ità ai requisiti <strong>del</strong><br />
cliente (Bandwidth on Demand, Optical Virtual<br />
Private Networks, ecc.).<br />
Antonio Manzal<strong>in</strong>i<br />
Telecom Italia Lab<br />
87
88<br />
I QUADERNI DI TELÈMA<br />
La fotonica nei sistemi radar<br />
di nuova generazione<br />
Lo scenario dei sistemi radar e di EW (Electronic<br />
Warfare) stà sommando al naturale<br />
elevato tasso di crescita nella complessità<br />
e nelle prestazioni, un profondo<br />
mutamento nei requisiti. In questo mutamento<br />
gli elementi tra<strong>in</strong>anti possono essere s<strong>in</strong>teticamente<br />
<strong>in</strong>dividuati nella <strong>in</strong>troduzione <strong>del</strong>le antenne<br />
ad array attivo, <strong>in</strong> sostituzione <strong>del</strong>le tradizionali<br />
antenne a parabola, nel progressivo passaggio<br />
dalla elaborazione analogica a quella digitale<br />
dei segnali e nella richiesta di multifunzionalità<br />
<strong>in</strong>tegrata <strong>in</strong> un unico apparato.<br />
Quest’ultimo requisito è sp<strong>in</strong>to oltre che<br />
dall’obiettivo di riduzione dei costi, dalla esigenza<br />
di sostituire con una sola antenna le varie<br />
antenne che <strong>in</strong> uno ambiente applicativo,<br />
come ad esempio una nave, svolgono le diverse<br />
funzioni di scoperta a lungo raggio, controllo<br />
<strong>del</strong> tiro, comunicazioni, contromisure…<br />
Per sostenere queste radicali evoluzioni dei<br />
sistemi radar sono necessarie soluzioni tecnologiche<br />
radicalmente <strong>in</strong>novative <strong>in</strong> grado di affrontare<br />
e risolvere problemi chiave quali:<br />
Rappresentazione di antenna multifunzionale <strong>in</strong> applicazione navale.<br />
La elevate larghezze <strong>del</strong>le bande di frequenze<br />
istantanea ed operativa (si và dalle cent<strong>in</strong>aia<br />
di KHz alle dec<strong>in</strong>e di GHz);<br />
La elevata d<strong>in</strong>amica dei segnali, ovvero la<br />
notevole differenza nelle <strong>in</strong>tensità tra <strong>il</strong> più<br />
debole ed <strong>il</strong> più <strong>in</strong>tenso segnale da gestire;<br />
La compatib<strong>il</strong>ità elettromagnetica, ovvero la<br />
capacità di non avere <strong>in</strong>terferenze tra le varie<br />
funzioni operative a diverse frequenze.<br />
La fotonica rappresenta una <strong>del</strong>le tecnologie<br />
che più di altre sono <strong>in</strong> grado di determ<strong>in</strong>are la<br />
fattib<strong>il</strong>ità o meno di soluzioni architetturali <strong>in</strong> grado<br />
di rispondere ai nuovi requisiti, grazie ai notevoli<br />
vantaggi offerti nell’ut<strong>il</strong>izzare la radiazione<br />
ottica, opportunamente modulata, per elaborare<br />
e trasportare per mezzo di fibre ottiche i segnali a<br />
micro-onde ut<strong>il</strong>izzati nei sistemi radar. Tra questi<br />
vantaggi i seguenti sono tra i più significativi:<br />
larghissima banda istantanea ed operativa<br />
(> 40 GHz);<br />
perdite di segnale praticamente <strong>in</strong>dipendenti<br />
dalla lunghezza <strong>del</strong>la fibra (0.2 dB/km);<br />
Iquadernidi
assenza di dispersione, ovvero comportamento<br />
<strong>in</strong>dipendente dalla frequenza <strong>del</strong> segnale<br />
modulante;<br />
stab<strong>il</strong>ità di fase ed ampiezza;<br />
elevata immunità da disturbi elettromagnetici;<br />
assenza di generazione di disturbi elettromagnetici;<br />
ridotti <strong>in</strong>gombri e pesi.<br />
È possib<strong>il</strong>e stab<strong>il</strong>ire una simmetria tra i componenti<br />
circuitali elettronici e quelli di un circuito<br />
fotonico, e qu<strong>in</strong>di immag<strong>in</strong>are come la<br />
fotonica possa sostituirsi nei sistemi elettronici<br />
<strong>in</strong> applicazioni quali:<br />
la remotizzazione di antenne (attraverso<br />
l<strong>in</strong>k <strong>in</strong> fibra ottica);<br />
la distribuzione ed elaborazione di segnali<br />
<strong>in</strong> antenne ad array attivo (optical beam form<strong>in</strong>g<br />
network);<br />
la realizzazione di l<strong>in</strong>ee di ritardo;<br />
i trasponder per la calibrazione di antenne;<br />
l’analisi spettrale dei segnali ricevuti <strong>in</strong> tempo<br />
reale;<br />
la generazione di frequenze RF, micro-onde<br />
e m<strong>il</strong>limetriche;<br />
<strong>il</strong> f<strong>il</strong>traggio <strong>del</strong> segnale;<br />
la conversione A-D ad elevatissima velocità<br />
(BW > 20 GHz).<br />
Nelle antenne ad array attivo <strong>il</strong> s<strong>in</strong>golo emettitore<br />
di elevata potenza associato alla parabola<br />
riflettente, tipico <strong>del</strong>le antenne tradizionali, viene<br />
sostituito da un array planare popolato da<br />
un elevato numero (da poche cent<strong>in</strong>aia a qual-<br />
Schema di distribuzione <strong>in</strong> fibra ottica dei segnali <strong>in</strong> antenna ad array attivo.<br />
novembre 2003<br />
le nuove tecnologie fotoniche<br />
Simmetria tra componenti elettronici e fotonici.<br />
che migliaio) di più piccoli moduli che riproducono<br />
<strong>in</strong> scala tutte le funzioni di trasmissione e<br />
ricezione <strong>del</strong>l’antenna. Tra le caratteristiche più<br />
<strong>in</strong>novative <strong>del</strong>le antenne ad array attivo è la<br />
possib<strong>il</strong>ità di variare la direzione di emissione<br />
<strong>del</strong> fascio senza muovere fisicamente l’antenna,<br />
semplicemente controllando la fase relativa di<br />
emissione tra i vari moduli.<br />
Si pone qu<strong>in</strong>di <strong>il</strong> problema di distribuire i<br />
segnali da emettere ai vari moduli. Una rete di<br />
distribuzione <strong>in</strong> cavo od <strong>in</strong> guida risulta pesante,<br />
costosa ed <strong>in</strong>tr<strong>in</strong>secamente a banda<br />
stretta, qu<strong>in</strong>di <strong>in</strong>adatta ai requisiti di banda dei<br />
radar multifunzionali. Una rete di distribuzione<br />
<strong>in</strong> fibra ottica consente <strong>il</strong> superamento dei<br />
limiti di banda unitamente al notevole allegge-<br />
89
90<br />
I QUADERNI DI TELÈMA<br />
Schema di canale ricevente digitale supportato da tecnologie fotoniche.<br />
rimento strutturale <strong>del</strong>la rete. In aggiunta la<br />
trasmissione dei segnali sulla portante ottica<br />
offre opportunità anche <strong>in</strong> term<strong>in</strong>i di elaborazione,<br />
consentendo operazioni come <strong>il</strong> controllo<br />
<strong>del</strong> ritardo temporale relativo tra i segnali<br />
distribuiti ad i moduli, operazioni di f<strong>il</strong>tro e<br />
comunque elim<strong>in</strong>ando la necessità di operare<br />
traslazioni <strong>in</strong> banda spesso necessarie nella elaborazione<br />
tutto-elettronica.<br />
La efficacia <strong>del</strong>la tecnologia fotonica nella soluzione<br />
di problemi complessi, spesso non altrimenti<br />
solub<strong>il</strong>i, si concretizza non solo nella elaborazione<br />
di segnali analogici, ma anche nell’ambito<br />
dei segnali digitali. Lo sv<strong>il</strong>uppo dei sistemi<br />
radar prevede anche la progressiva migrazione<br />
dalla elaborazione analogica dei segnali a<br />
quella digitale. In questa direzione un primo ostacolo<br />
è costituito dalla banda larga, e qu<strong>in</strong>di<br />
dalla velocità dei segnali da convertire da analogici<br />
a digitali. Soluzioni fotoniche consentono di<br />
moltiplicare di 10-100 volte la capacità di campionamento<br />
dei convertitori analogico digitali elettronici,<br />
consentendo la conversione di segnali<br />
di frequenza f<strong>in</strong>o a 18-20 GHz. L’elevato numero<br />
di moduli <strong>in</strong> antenna e la necessità di trasportare<br />
i dati digitali alle unità centrali di elaborazione,<br />
pone seri problemi nella trasmissione<br />
di questa enorme masa di dati. Soluzioni <strong>in</strong> fibra<br />
ottica, che ut<strong>il</strong>izzano approcci <strong>in</strong> uso nelle reti<br />
commerciali <strong>in</strong> fibra ottica, consentono <strong>il</strong> superamento<br />
di questi problemi. Mentre calcolatori<br />
tutto-ottici consentono successivamente la veloce<br />
elaborazione parallela di questi dati.<br />
Satellite e fibra per la larga banda<br />
a tutti<br />
Telespazio è attiva da tempo nel settore<br />
<strong>del</strong>l’<strong>in</strong>tegrazione <strong>del</strong>la banda larga con<br />
<strong>il</strong> satellite. A questo scopo è già nel<br />
piano strategico <strong>del</strong>l’impresa <strong>il</strong> cablaggio<br />
<strong>in</strong> fibra ottica <strong>del</strong>la stazione spaziale <strong>del</strong> Fuc<strong>in</strong>o,<br />
che prevede la disponib<strong>il</strong>ità di collegamenti<br />
SDH per la diffusione di servizi di <strong>in</strong>terac-<br />
Iquadernidi<br />
Mauro Varasi<br />
AMS, Roma<br />
tive TV ed accesso. Il piano strategico prevede<br />
anche la fornitura di altri servizi a larga banda<br />
(accesso a backbone IP, tele educazione, telemedic<strong>in</strong>a,<br />
contributi multimediali…) <strong>in</strong> aree per<br />
le quali non si prevede o non si ritiene economicamente<br />
vantaggioso portare, nel breve-medio<br />
periodo, l’<strong>in</strong>frastruttura terrestre. Le caratte
istiche <strong>in</strong>tr<strong>in</strong>seche <strong>del</strong> satellite, unitamente alla<br />
caduta progressiva dei costi di gestione, permettono<br />
di dispiegare con notevole rapidità tali servizi<br />
dove sia necessario, rendendo l’offerta satellitare<br />
complementare e “simbiotica” con quella<br />
terrestre.<br />
Un esempio pratico dei vantaggi relativi alla<br />
<strong>in</strong>tegrazione tra <strong>il</strong> satellite e le reti a banda larga<br />
(e qu<strong>in</strong>di alle reti <strong>in</strong> fibra) è fornito da un<br />
progetto di collaborazione tra la Telespazio, <strong>il</strong><br />
MIUR (M<strong>in</strong>istero <strong>del</strong>l’Istruzione, <strong>del</strong>l’Università<br />
e <strong>del</strong>la Ricerca) e la <strong>Fondazione</strong> Ugo Bordoni<br />
per fornire servizi multimediali a San<br />
Giuliano <strong>in</strong> Molise, facendo seguito ad una <strong>in</strong>iziativa<br />
di carattere istituzionale.<br />
L’<strong>in</strong>iziativa realizzata <strong>in</strong> Molise rientra <strong>in</strong> una<br />
serie di attività che vedono Telespazio, <strong>Fondazione</strong><br />
Bordoni e MIUR impegnati nella sperimentazione<br />
e nella realizzazione di accessi a<br />
banda larga senza limitazioni di natura geogra-<br />
Sensori <strong>in</strong> fibra ottica per <strong>il</strong><br />
monitoraggio strutturale<br />
Isensori <strong>in</strong> fibra ottica trovano ormai <strong>in</strong>numerevoli<br />
applicazioni nei settori più svariati<br />
che spaziano dalla biologia alla metrologia,<br />
dalla chimica all’<strong>in</strong>gegneria strutturale.<br />
Va osservato come talvolta dietro la dizione<br />
“sensore <strong>in</strong> fibra ottica” si cel<strong>in</strong>o sensori “tradizionali”<br />
che traendo vantaggio dall’impiego <strong>del</strong>le<br />
fibre ottiche hanno potuto raggiungere elevata<br />
m<strong>in</strong>iaturizzazione e portab<strong>il</strong>ità. Per tali sensori<br />
la fibra ottica svolge ‘semplicementè <strong>il</strong> ruolo<br />
di connettere l’elemento sensib<strong>il</strong>e, che talvolta è<br />
realizzato direttamente nel corpo <strong>del</strong>la fibra ottica<br />
stessa, al sistema di analisi. È questo <strong>il</strong> caso di<br />
sensori per la determ<strong>in</strong>azione <strong>del</strong>la concentrazione<br />
di specie chimiche <strong>in</strong> cui l’elemento sensib<strong>il</strong>e<br />
è una microscopica cavità che viene immersa<br />
nel fluido da analizzare ed <strong>il</strong> sistema di analisi<br />
è uno spettrometro: la fibra ottica svolge <strong>il</strong> ruolo<br />
di trasportare alla cavità <strong>il</strong> fascio di luce che eccita<br />
la specie chimica ricercata ed <strong>il</strong> ruolo di trasportare<br />
allo spettrometro la luce emessa per<br />
consentirne l’<strong>in</strong>dividuazione. Per contro, nel caso<br />
dei sensori <strong>in</strong> fibra ottica che trovano applicazioni<br />
nel campo <strong>del</strong> monitoraggio termico e<br />
strutturale si potrebbe sicuramente adottare la<br />
novembre 2003<br />
le nuove tecnologie fotoniche<br />
fica. Di particolare <strong>in</strong>teresse potranno essere le<br />
realizzazioni presso le isole m<strong>in</strong>ori italiane e le<br />
comunità montane. La rete <strong>in</strong>stallata presso la<br />
scuola di San Giuliano ut<strong>il</strong>izza FullSAT, un sistema<br />
<strong>in</strong>novativo <strong>in</strong>tegrato nella Piattaforma multimediale<br />
Evolv-e di Telespazio. Il sistema fornisce<br />
servizi di connettività <strong>in</strong> protocollo IP esclusivamente<br />
via satellite, ut<strong>il</strong>izzando parabole<br />
di piccole dimensioni (97cm). Il satellite ut<strong>il</strong>izzato<br />
è l’Eutelsat W3, che copre l’<strong>in</strong>tera Europa e<br />
<strong>il</strong> bac<strong>in</strong>o mediterraneo. Tra i pr<strong>in</strong>cipali vantaggi<br />
garantiti da FullSAT vi è la possib<strong>il</strong>ità di poter<br />
disporre di soluzioni “ADSL like” anche dove<br />
non esiste una adeguata <strong>in</strong>frastruttura terrestre<br />
e, <strong>in</strong>oltre, di poter godere di una serie di servizi<br />
a “valore aggiunto” che vanno ben oltre la semplice<br />
connettività su IP.<br />
Lorenzo Ronzitti<br />
Telespazio s.p.a.<br />
dizione di “sensori <strong>in</strong> fibra ottica propriamente<br />
detti” <strong>in</strong> quanto <strong>il</strong> funzionamento di tali sensori<br />
si basa direttamente sulla <strong>in</strong>terazione fra la radiazione<br />
ottica che si propaga nella fibra ottica e<br />
la fibra ottica stessa.<br />
I sensori <strong>in</strong> fibra ottica per applicazioni di monitoraggio<br />
strutturale possono essere suddivisi <strong>in</strong><br />
due grandi categorie a seconda se l’elemento<br />
senziente sia presente <strong>in</strong> tutta la fibra ottica oppure<br />
localizzato <strong>in</strong> alcuni specifici punti opportunamente<br />
trattati, come vedremo. Fra i primi,<br />
chiamati appunto di tipo distribuito, quelli che<br />
hanno raggiunto un maggior livello di maturità<br />
tecnologica sono sensori R-OTDR (Raman Optical<br />
Time Doma<strong>in</strong> Reflectometry) e B-OTDR<br />
(Br<strong>il</strong>lou<strong>in</strong> Optical Time Doma<strong>in</strong> Reflectometry).<br />
Questi due tipi di sensori si basano sul fenomeno<br />
<strong>del</strong>la retro-diffusione, backscatter<strong>in</strong>g:<br />
la luce che si propaga lungo la fibra ottica, <strong>in</strong>teragendo<br />
lungo <strong>il</strong> proprio camm<strong>in</strong>o con <strong>il</strong><br />
materiale che costituisce la fibra ottica stessa,<br />
viene <strong>in</strong> parte diffusa e genera un debole flusso<br />
di luce che si propaga <strong>in</strong> direzione opposta,<br />
<strong>in</strong>dietro lungo la fibra. La lunghezza d’onda<br />
<strong>del</strong>la luce retro-diffusa è funzione <strong>del</strong>la tem-<br />
91
92<br />
I QUADERNI DI TELÈMA<br />
peratura e <strong>del</strong>lo stato tensionale <strong>del</strong>la fibra ottica,<br />
ovvero dei parametri foto-termo-elastici<br />
<strong>del</strong> materiale che costituisce la fibra ottica (fenomeno<br />
descritto come effetto Raman ed effetto<br />
Br<strong>il</strong>lou<strong>in</strong>). È sufficiente che la temperatura<br />
o lo stato tensionale di un segmento di fibra<br />
var<strong>in</strong>o, perché si generi una corrispondente<br />
variazione <strong>del</strong>la lunghezza d’onda <strong>del</strong>la luce<br />
retro-diffusa da quel segmento di fibra.<br />
Per determ<strong>in</strong>are la posizione <strong>del</strong> segmento<br />
di fibra che produce <strong>il</strong> segnale di una particolare<br />
lunghezza d’onda, e qu<strong>in</strong>di <strong>il</strong> punto <strong>del</strong>la<br />
struttura monitorata <strong>in</strong> cui si ha la corrispondente<br />
temperatura o stato tensionale, si ut<strong>il</strong>izza<br />
una sorgente laser pulsata. Inviando nella fibra<br />
ottica brevi impulsi laser e misurando <strong>il</strong> tempo<br />
di ritardo fra l’<strong>in</strong>vio <strong>del</strong>l’impulso e l’arrivo <strong>del</strong>la<br />
luce retro-riflessa, è possib<strong>il</strong>e determ<strong>in</strong>are la<br />
posizione <strong>del</strong> segmento di fibra che produce <strong>il</strong><br />
segnale con risoluzioni <strong>del</strong>l’ord<strong>in</strong>e <strong>del</strong> metro.<br />
Nella seconda categoria, di tipo quasi distribuito,<br />
i sensori che hanno raggiunto un maggior<br />
livello di maturità tecnologica sono rappresentati<br />
dai sensori FBG (Fiber Bragg Grat<strong>in</strong>g). Quest’ultimi<br />
sono realizzati modificando opportunamente<br />
l’<strong>in</strong>dice di rifrazione di un piccolo segmento<br />
<strong>del</strong>la fibra ottica, tipicamente <strong>del</strong>la lunghezza<br />
di 5 mm. La modifica <strong>del</strong>l’<strong>in</strong>dice di rifrazione<br />
che si realizza consiste nella produzione<br />
di un reticolo di diffrazione (reticolo di Bragg)<br />
che si comporta come uno specchio <strong>in</strong> grado di<br />
Fibra ottica <strong>in</strong>globata <strong>in</strong> materiale composito polimerico <strong>in</strong> fibra di carbonio.<br />
retro-riflettere soltanto luce di una particolare<br />
lunghezza d’onda. È possib<strong>il</strong>e realizzare più<br />
sensori FBG su di una stessa fibra, avendo cura<br />
che la lunghezza d’onda retro-riflessa dai vari<br />
sensori non si sovrapponga; la separazione m<strong>in</strong>ima<br />
di due sensori FBG disposti su di una stessa<br />
fibra può essere anche di pochi m<strong>il</strong>limetri.<br />
Il grande <strong>in</strong>teresse per i sensori <strong>in</strong> fibra ottica<br />
per monitoraggio strutturale risiede nelle peculiari<br />
caratteristiche <strong>del</strong>le fibre ottiche che possono<br />
fac<strong>il</strong>mente essere <strong>in</strong>tegrate all’<strong>in</strong>terno dei<br />
materiali più vari, come ad esempio compositi<br />
polimerici, metalli, materiali ceramici, calcestruzzo.<br />
È fondamentale per poter effettuare misure<br />
affidab<strong>il</strong>i di deformazione strutturale che la<br />
fibra ottica e conseguentemente <strong>il</strong> sensore aderisca<br />
perfettamente al materiale ospitante.<br />
A titolo di esempio si riportano i risultati di<br />
<strong>in</strong>globamento di un sensore <strong>in</strong> fibra ottica <strong>in</strong><br />
materiale composito nella seguente figura.<br />
In particolare si nota la fibra ottica <strong>in</strong>serita<br />
tra due strati di composito r<strong>in</strong>forzato <strong>in</strong> fibra di<br />
carbonio. Da qualche anno è nato un nuovo<br />
settore di ricerca che viene identificato con diversi<br />
nomi quali quello di strutture <strong>in</strong>telligenti,<br />
strutture adattative (dall’<strong>in</strong>glese adaptive) o attive<br />
o con <strong>il</strong> term<strong>in</strong>e <strong>in</strong>glese, diffic<strong>il</strong>mente traducib<strong>il</strong>e<br />
<strong>in</strong> maniera diversa dai precedenti vocaboli,<br />
di “smart structures”.<br />
I vantaggi dei sensori sopradescritti per le applicazioni<br />
di monitoraggio strutturale rispetto a<br />
Iquadernidi
quelli tradizionali di tipo elettrico sono <strong>in</strong>numerevoli:<br />
i) immuntà da <strong>in</strong>terferenze elettromagnetiche<br />
<strong>in</strong> quanto <strong>il</strong> segnale è ottico; ii) isolanti e<br />
qu<strong>in</strong>di possono essere <strong>in</strong>seriti o <strong>in</strong>collati sui metalli<br />
senza particolari precauzioni di tipo elettrico<br />
e non conducono elettricità prodotta ad esempio<br />
da fulm<strong>in</strong>i; iii) ridottissimo <strong>in</strong>gombro essendo <strong>in</strong>tegrati<br />
all’<strong>in</strong>terno <strong>del</strong>la fibra ottica; iv) notevole<br />
stab<strong>il</strong>ità ed affidab<strong>il</strong>ità che rende superflua ogni<br />
ricalibrazione <strong>del</strong> sistema di misura nel tempo,<br />
ciò grazie al pr<strong>in</strong>cipio di misura che è di tipo spet-<br />
Cristalli liquidi, una strana coppia di parole,<br />
ma allo stesso tempo affasc<strong>in</strong>ante!<br />
A scuola ci hanno <strong>in</strong>segnato che la<br />
materia si presenta <strong>in</strong> tre possib<strong>il</strong>i stati,<br />
gassoso, liquido o solido. Dal 1888 sappiamo<br />
che non è più così, quando <strong>il</strong> botanico austriaco<br />
Friedrich Re<strong>in</strong>itzer osservò al microscopio<br />
che l’estere benzoico <strong>del</strong> colesterolo presentava<br />
due temperature di fusione.<br />
Tra queste due temperature vic<strong>in</strong>e tra loro ma<br />
ben dist<strong>in</strong>te la sostanza osservata da Re<strong>in</strong>itzer dava<br />
luogo ad effetti ottici al microscopio che sono tipici<br />
di entrambi le fasi liquida e solida, pertanto per<br />
quello strano stato <strong>del</strong>la materia, che sussisteva <strong>in</strong><br />
un <strong>in</strong>tervallo di temperatura di pochi gradi centigradi,<br />
venne coniato <strong>il</strong> term<strong>in</strong>e di “fase liquido cristall<strong>in</strong>a”.<br />
Più tardi si scoprì che numerose altre sostanze<br />
organiche possono esistere <strong>in</strong> una sequenza<br />
di fasi <strong>in</strong>termedie (o fasi mesomorfiche o mesofasi)<br />
tra quella liquida e quella solida, come la fase<br />
nematica e varie fasi smectiche (dal greco “smegma”<br />
che significa “sapone” le cui proprietà meccaniche<br />
sono sim<strong>il</strong>i a certi cristalli liquidi) come mostrato<br />
nella figura. Le molecole organiche che<br />
compongono i cristalli liquidi, di forma generalmente<br />
allungata sim<strong>il</strong>e a dei bastonc<strong>in</strong>i, dette anche<br />
molecole calamitiche, si aggregano <strong>in</strong> modo<br />
più ord<strong>in</strong>ato che nei liquidi quasi come nei solidi.<br />
D’altro canto come i liquidi, i cristalli liquidi hanno<br />
bisogno di un “recipiente” che ne possa contenere<br />
una determ<strong>in</strong>ata quantità.<br />
Dalla fase liquida l’ord<strong>in</strong>e <strong>del</strong>le molecole cresce<br />
dim<strong>in</strong>uendo la temperatura <strong>in</strong> un <strong>in</strong>tervallo termico<br />
generalmente di pochi gradi centigradi, dando<br />
luogo alle varie fasi liquido cristall<strong>in</strong>e, f<strong>in</strong>o a rag-<br />
le nuove tecnologie fotoniche<br />
trale; v) una sola fibra può monitorare un elevato<br />
numero di punti <strong>del</strong>la struttura, trattandosi di un<br />
sensore distribuito o collegando <strong>in</strong> serie diversi<br />
sensori quasi distribuiti (multiplex<strong>in</strong>g), cosa che<br />
consente una notevole semplificazione dei cablaggi<br />
per <strong>il</strong> trasporto <strong>del</strong> segnale, vi) buona resistenza<br />
<strong>in</strong> ambienti aggressivi ed alla corrosione,<br />
vii) ut<strong>il</strong>izzab<strong>il</strong>i anche a temperature di 400-500 °C.<br />
I cristalli liquidi: la tecnologia<br />
<strong>del</strong>lo stato <strong>del</strong>icato <strong>del</strong>la materia<br />
novembre 2003<br />
Andrea Fellegara<br />
Michele A. Caponero<br />
Antonio Paolozzi<br />
giungere la struttura ord<strong>in</strong>ata e rigida tipica dei solidi.<br />
La tecnologia degli schermi a cristallo liquido<br />
(o LCD: Liquid Crystal Display) ha conosciuto una<br />
notevole evoluzione grazie alla produzione di sostanze<br />
<strong>in</strong> cui la fase liquido cristall<strong>in</strong>a nematica esiste<br />
su un <strong>in</strong>tervallo di temperature molto ampio<br />
tra 0°C e oltre 60°C, rendendo possib<strong>il</strong>e l’ut<strong>il</strong>izzo<br />
dei cristalli liquidi nella vita quotidiana <strong>in</strong> dispositivi<br />
come gli orologi da polso che potessero funzionare<br />
nella maggior parte <strong>del</strong> globo terrestre.<br />
Oltre che negli orologi gli schermi a cristallo<br />
liquido sono oggi molto diffusi <strong>in</strong> monitor di<br />
computer, display di b<strong>il</strong>ance elettroniche, computer<br />
palmari, navigatori per auto, video giochi<br />
e <strong>in</strong> tanti altri sistemi elettronici. Gli schermi<br />
piatti a cristallo liquido sono anche <strong>in</strong> grado di<br />
riprodurre immag<strong>in</strong>i televisive, con m<strong>il</strong>ioni di<br />
colori con le stesse prestazioni dei vecchi ed <strong>in</strong>gombranti<br />
schermi basati su tubi a raggi catodici<br />
(CRT: Cathodic Ray Tubes).<br />
Ma come funziona uno schermo a cristallo liquido?<br />
Il pr<strong>in</strong>cipio di funzionamento è basato<br />
sulle proprietà <strong>del</strong>le molecole liquido-cristall<strong>in</strong>e<br />
di <strong>in</strong>teragire con la luce. Per poter sfruttare questa<br />
proprietà ai f<strong>in</strong>i di realizzare un display, <strong>il</strong><br />
cristallo liquido è racchiuso <strong>in</strong> una cella costituita<br />
da diversi elementi come riportato nella figura<br />
<strong>del</strong>la pag<strong>in</strong>a seguente, dove è riportato sia <strong>il</strong><br />
pr<strong>in</strong>cipio di funzionamento che la struttura di<br />
una cella a cristallo liquido nematico ritorto (o<br />
TN: Twisted Nematic) ut<strong>il</strong>izzata per realizzare la<br />
maggior parte degli LCD dei computer portat<strong>il</strong>i.<br />
Uno schermo piatto è costituito da una coppia<br />
di lastre di vetro distanziate tra loro di pochi<br />
micron (ovvero pochi m<strong>il</strong>lesimi di m<strong>il</strong>limetro) a<br />
93
94<br />
I QUADERNI DI TELÈMA<br />
formare una sott<strong>il</strong>e <strong>in</strong>tercaped<strong>in</strong>e riempita con<br />
cristallo liquido nematico. Sulle facce <strong>in</strong>terne dei<br />
vetri <strong>del</strong>l’<strong>in</strong>tercaped<strong>in</strong>e è presente un elettrodo<br />
trasparente di ossido di stagno ed <strong>in</strong>dio e sopra<br />
di esso, a contatto con <strong>il</strong> cristallo liquido, un f<strong>il</strong>m<br />
di polimero. Quest’ultimo viene stirato <strong>in</strong> modo<br />
che a livello microscopico assomigli alle coste di<br />
un tessuto di velluto orientate <strong>in</strong> una direzione<br />
lungo la quale si all<strong>in</strong>eano le molecole di cristallo<br />
liquido. In una cella TN le molecole di cristallo<br />
liquido compiono una rotazione di 90° passando<br />
da un vetro ad un altro lungo lo spessore<br />
<strong>del</strong>l’<strong>in</strong>tercaped<strong>in</strong>e, essendo le direzioni di all<strong>in</strong>eamento<br />
sui due vetri perpendicolari tra loro.<br />
Sulle facce esterne dei vetri sono presenti dei<br />
f<strong>il</strong>tri polarizzatori l<strong>in</strong>eari, che sono <strong>in</strong> grado di far<br />
passare luce <strong>in</strong> cui <strong>il</strong> campo elettrico <strong>del</strong>la radiazione<br />
lum<strong>in</strong>osa osc<strong>il</strong>li <strong>in</strong> una direzione determ<strong>in</strong>ata<br />
dall’orientamento <strong>del</strong> polarizzatore. I due polarizzatori<br />
sono perpendicolari tra loro e rispettivamente<br />
all<strong>in</strong>eati con la direzione dei f<strong>il</strong>m polimerici<br />
di all<strong>in</strong>eamento <strong>del</strong> cristallo liquido.<br />
Quando un fascio di luce proveniente da una<br />
sorgente lum<strong>in</strong>osa posizionata dietro la cella, attraversa<br />
<strong>il</strong> primo polarizzatore, si propaga nel cristallo<br />
liquido lungo <strong>il</strong> cui spessore, <strong>il</strong> campo elettrico<br />
<strong>del</strong>la radiazione elettromagnetica subisce<br />
una rotazione di 90°, seguendo lo stesso orientamento<br />
<strong>del</strong>le molecole di cristallo liquido, per poi<br />
attraversare <strong>il</strong> secondo polarizzatore e completare<br />
l’attraversamento <strong>del</strong>la cella. Qu<strong>in</strong>di un osservatore<br />
dalla parte opposta alla cella rispetto alla<br />
Rappresentazione schematica <strong>del</strong>la struttura e <strong>del</strong> pr<strong>in</strong>cipio<br />
di funzionamento di una cella a cristallo liquido <strong>in</strong><br />
trasmissione.<br />
sorgente vedrà un segnale di luce (stato di bianco).<br />
Applicando un segnale di tensione di pochi<br />
volt alla cella le molecole perdono <strong>il</strong> <strong>del</strong>icato orientamento<br />
imposto dal f<strong>il</strong>m di all<strong>in</strong>eamento,<br />
per disporsi perpendicolarmente alla cella. Il<br />
campo elettrico <strong>del</strong> fascio di luce polarizzato, che<br />
attraversa la cella, non subirà alcuna rotazione ed<br />
<strong>in</strong>contrando <strong>il</strong> secondo polarizzatore, orientato<br />
perpendicolarmente ad esso, non sarà <strong>in</strong> grado<br />
di completare l’attraversamento <strong>del</strong>la cella che<br />
apparirà scura all’osservatore (stato di nero).<br />
Cambiando con cont<strong>in</strong>uità la tensione applicata<br />
alla cella a cristallo liquido l’orientamento <strong>del</strong>le<br />
molecole può variare tra le due posizioni con<br />
gradualità producendo una scala di grigi tra bianco<br />
e nero. Oltre ai polarizzatori si usano, <strong>in</strong> corrispondenza<br />
di ciascun pixel, anche tre f<strong>il</strong>tri di colore<br />
rosso verde e blu, i tre colori fondamentali,<br />
con cui possono essere creati tutti i possib<strong>il</strong>i colori,<br />
comb<strong>in</strong>ando opportunamente le <strong>in</strong>tensità<br />
lum<strong>in</strong>ose che attraversano i pixel.<br />
Le celle a cristallo liquido sono <strong>in</strong> grado di <strong>in</strong>teragire<br />
non solo con luce che cade nello spettro<br />
<strong>del</strong> visib<strong>il</strong>e ma anche con luce <strong>del</strong> vic<strong>in</strong>o <strong>in</strong>frarosso<br />
impiegata nelle fibre ottiche per le comunicazioni<br />
a larga banda. Infatti sono stati realizzati, anche<br />
se ancora a livello di prototipi da laboratorio,<br />
commutatori ottici <strong>in</strong> grado di re<strong>in</strong>stradare i segnali<br />
di luce che viaggiano nelle fibre ottiche <strong>del</strong>le<br />
reti di telecomunicazione. Il vantaggio pr<strong>in</strong>cipale<br />
nell’impiegare commutatori a cristallo liquido<br />
consiste nell’assenza di parti <strong>in</strong> movimento ed<br />
<strong>in</strong>oltre le tensioni di p<strong>il</strong>otaggio sono relativamente<br />
basse rispetto a componenti analoghi realizzati<br />
con altre tecnologie basate sull’impiego di materiali<br />
semiconduttori o dielettrici cristall<strong>in</strong>i, come<br />
ad esempio <strong>il</strong> niobato di litio, oggi largamente ut<strong>il</strong>izzati<br />
<strong>in</strong> ottica. Dal punto di vista scientifico i cristalli<br />
liquidi offrono ancora oggi grande motivo di<br />
attenzione per la ricerca scientifica per i numerosi<br />
effetti derivanti dall’<strong>in</strong>terazione con la luce. Infatti<br />
segnali di luce possono <strong>in</strong>nescare fenomeni di<br />
riorientamento <strong>del</strong>le molecole di cristallo liquido<br />
aprendo una serie di nuovi scenari di sv<strong>il</strong>uppo di<br />
dispositivi tuttoottici <strong>in</strong> cui la luce può essere controllata<br />
da un altro segnale di luce anziché da uno<br />
di tipo elettrico. Inoltre celle speciali possono essere<br />
ut<strong>il</strong>izzate per immagazz<strong>in</strong>are <strong>in</strong>formazione<br />
ottica <strong>in</strong> ologrammi con capacità più elevate rispetto<br />
agli attuali sistemi di memoria di massa.<br />
Antonio d’Alessandro<br />
Rita Asqu<strong>in</strong>i<br />
Dipartimento di Ingegneria Elettronica – Università degli<br />
Studi di Roma “La Sapienza”- INFM<br />
Iquadernidi
La Scuola Superiore S. Anna di Pisa e <strong>il</strong><br />
CNIT sono da anni attivi nello studio e<br />
nella sperimentazione di sistemi ottici<br />
avanzati di tipo Optical Time Division<br />
Multiplex<strong>in</strong>g (OTDM). Superando i limiti <strong>del</strong>l’elettronica,<br />
questi sistemi potranno consentire<br />
di raggiungere elevatissime capacità di trasmissione<br />
ed elaborazione dei segnali. Al momento<br />
lo studio si sta concentrando su sistemi<br />
<strong>del</strong> tipo 160 Gbit/s e <strong>in</strong> questo contributo sono<br />
descritte due soluzioni realizzate per la sorgente<br />
di impulsi, realizzate rispettivamente<br />
con la tecnica di Mode-lock<strong>in</strong>g e con effetti solitonici.<br />
Entrambe le soluzioni sono state già ut<strong>il</strong>izzate<br />
per sperimentazioni avanzate nell’ambito<br />
<strong>del</strong>lo studio dei sistemi OTDM: <strong>in</strong> particolare,<br />
sono state impiegate per la prima dimostrazione<br />
<strong>in</strong> Italia di trasmissione a 160 Gbit/s<br />
e per dimostrare particolari tecniche di elaborazione<br />
ottica su segnali ultracorti. Sono <strong>in</strong>oltre<br />
<strong>in</strong> programma ulteriori ricerche per avanzamenti<br />
verso velocità di trasmissione ancora<br />
più elevate (320 o 640 Gbit/s).<br />
Per produrre un segnale a 160 Gbit/s sono<br />
qu<strong>in</strong>di necessarie sorgenti di impulsi molto<br />
brevi, <strong>del</strong>l’ord<strong>in</strong>e di 1-2 ps (un m<strong>il</strong>iardesimo di<br />
m<strong>il</strong>lisecondo).<br />
Tecnica di Mode Lock<strong>in</strong>g<br />
Il Mode Lock<strong>in</strong>g (ML) è una tecnica impiegata<br />
per la generazione di treni di impulsi ottici<br />
mediante un osc<strong>il</strong>latore laser multimodale.<br />
In l<strong>in</strong>ea di pr<strong>in</strong>cipio, per ottenere dall’osc<strong>il</strong>latore<br />
multimodale un comportamento impulsato<br />
è sufficiente forzare la fase relativa dei modi.<br />
Questa tecnica viene impiegata <strong>in</strong> laser <strong>in</strong><br />
fibra e a semiconduttore con risultati differenti.<br />
Per entrambe le tecnologie esistono tre possib<strong>il</strong>i<br />
realizzazioni <strong>in</strong> funzione <strong>del</strong> dispositivo<br />
usato per costr<strong>in</strong>gere la fase. Il Mode Lock<strong>in</strong>g<br />
viene qu<strong>in</strong>di detto Passivo (PML – Passive Mode<br />
Lock<strong>in</strong>g) se è ottenuto mediante un dispositivo,<br />
per l’appunto, passivo come, ad esempio,<br />
un Saturable Absorber (SA) <strong>in</strong>serito nella<br />
le nuove tecnologie fotoniche<br />
Generazione di impulsi ultracorti<br />
per trasmissioni ed elaborazioni<br />
ottiche ad altissima velocità<br />
novembre 2003<br />
cavità; Attivo (AML-Active Mode Lock<strong>in</strong>g) se<br />
viene impiegato <strong>in</strong> cavità un modulatore d’ampiezza<br />
o fase, ed <strong>in</strong> f<strong>in</strong>e Ibrido (HML – Hybrid<br />
Mode Lock<strong>in</strong>g) se un segnale ottico di controllo<br />
o un dispositivo passivo controllato esternamente<br />
vengono usati per forzare la fase.<br />
Generazione di solitoni mediante<br />
propagazione nonl<strong>in</strong>eare<br />
Una tecnica alternativa al mode-lock<strong>in</strong>g,<br />
per realizzare una sorgente di impulsi ultracorti<br />
per trasmettere segnali con tecnologia<br />
OTDM è quella <strong>del</strong>la compressione solitonica<br />
adiabatica. Questa tecnica è stata proposta e<br />
dimostrata nei Laboratori di Pisa e risulta estremamente<br />
promettente per una serie di notevoli<br />
semplificazioni e di potenziali vantaggi. La<br />
tecnica è estremamente complessa a livello<br />
teorico, ma risulta di una maggiore semplicità<br />
pratica e di una maggiore stab<strong>il</strong>ità.<br />
Per una descrizione, sia pure sommaria,<br />
<strong>del</strong>la tecnica ut<strong>il</strong>izzata si deve rimandare al<br />
concetto di ottica nonl<strong>in</strong>eare e di impulsi solitonici,<br />
ovvero di solitoni ottici. Nelle condizione<br />
di propagazione nonl<strong>in</strong>eare è possib<strong>il</strong>e<br />
che le caratteristiche trasmissive <strong>del</strong>la fibra<br />
siano <strong>in</strong> qualche modo <strong>in</strong>fluenzate dal segnale<br />
ottico che la sta attraversando, <strong>in</strong> queste<br />
condizioni l’impulso sperimenta la cosiddetta<br />
propagazione nonl<strong>in</strong>eare.<br />
Come già accennato, la dispersione cromatica<br />
<strong>del</strong>le fibre ottiche tende a modificare, spesso<br />
con effetti distruttivi, la forma dei segnali<br />
durante la trasmissione. I solitoni sono sostanzialmente<br />
immuni da questo effetto poiché <strong>in</strong><br />
essi si realizza un b<strong>il</strong>anciamento <strong>del</strong>la dispersione<br />
cromatica e degli effetti nonl<strong>in</strong>eari: per<br />
questo motivo è possib<strong>il</strong>e che si propagh<strong>in</strong>o<br />
mantenendo un prof<strong>il</strong>o <strong>in</strong>alterato. In term<strong>in</strong>i<br />
tecnici, si può dire che i solitoni sono particolari<br />
soluzioni <strong>del</strong>l’equazione di propagazione <strong>in</strong><br />
fibra, quelle <strong>in</strong> cui la dispersione l<strong>in</strong>eare viene<br />
compensata perfettamente dall’effetto nonl<strong>in</strong>eare<br />
di automodulazione di fase (Self Phase<br />
Modulation, SPM). Queste soluzioni sono dette<br />
95
96<br />
I QUADERNI DI TELÈMA<br />
appunto, onde solitarie o solitoni.<br />
I solitoni godono <strong>in</strong>oltre di altre <strong>in</strong>teressanti<br />
proprietà, tra cui la più significativa è probab<strong>il</strong>mente<br />
la “robustezza”. Entrambe le suddette caratteristiche<br />
sono sfruttate nella sorgente proposta<br />
e realizzata a Pisa, e sarà ora descritta brevemente.<br />
Mediante un modulatore di <strong>in</strong>tensità, si<br />
realizza una modulazione s<strong>in</strong>usoidale di un segnale<br />
ottico, con una frequenza di modulazione<br />
pari alla frequenza <strong>del</strong> tributario (<strong>in</strong> questo caso:<br />
40 GHz). Questo segnale viene poi <strong>in</strong>viato <strong>in</strong><br />
una fibra ottica le cui proprietà sono state accuratamente<br />
selezionate. In questa fibra, si sv<strong>il</strong>uppano<br />
<strong>in</strong>sieme diversi effetti nonl<strong>in</strong>eari. Una visione<br />
semplificata è la seguente: la s<strong>in</strong>usoide <strong>in</strong>iziale<br />
tende <strong>in</strong>izialmente a evolvere <strong>in</strong> una sequenza<br />
regolare di solitoni grazie all’effetto «attrattivo<br />
« dei solitoni. Questo effetto produrrebbe<br />
tuttavia solitoni con larghezza temporale di circa<br />
4 ps, <strong>in</strong>sufficienti ai nostri scopi. Al tempo stesso,<br />
si verifica anche la compressione adiabatica solitonica:<br />
<strong>il</strong> b<strong>il</strong>anciamento accurato dei due effetti<br />
ha consentito di produrre impulsi di circa 1 ps<br />
con cadenza di ripetizione di 40 GHz.<br />
Nella seguente figura è mostrato <strong>il</strong> diagramma<br />
ad occhio risultato di una multiplazione di<br />
quattro flussi <strong>in</strong> uno a 160 Gb/s. Come si può<br />
notare, gli impulsi hanno una durata sufficien-<br />
Diagramma ad occhio a 160 Gbit/s ottenuto con la sorgente di solitoni.<br />
temente breve per permettere anche la composizione<br />
di una trama di otto flussi a 320 Gb/s.<br />
Mediante segnali con impulsi molto corti si<br />
possono effettuare <strong>del</strong>le elaborazioni molti veloci<br />
che solo l’ottica può permettere. In alcuni<br />
laboratori sono state già sperimentale <strong>del</strong>le<br />
porte logiche tutte ottiche che sono <strong>in</strong> grado<br />
di processare segnali aventi impulsi <strong>in</strong>credib<strong>il</strong>mente<br />
corti (f<strong>in</strong>o a qualche femtosecondo, 1 fs<br />
è un m<strong>il</strong>iardesimo di microsecondo) e <strong>il</strong> che<br />
significa che l’elaborazione può lavorare con<br />
velocità <strong>del</strong>l’ord<strong>in</strong>e <strong>del</strong> cent<strong>in</strong>aio di Tb/s (1<br />
Tb/s=10 12 b/s). Esempi semplici sono le porte<br />
AND che sono costituite da un materiale ottico<br />
nonl<strong>in</strong>eare <strong>in</strong> grado di produrre un impulso <strong>in</strong><br />
uscita solo quando sono simultaneamente<br />
presenti due impulsi al suo <strong>in</strong>gresso.<br />
Queste ricerche sono state parzialmente f<strong>in</strong>anziate<br />
dalla Marconi Communications e da<br />
un progetto <strong>del</strong> M<strong>in</strong>istero <strong>del</strong>l’Istruzione, <strong>del</strong>l’Università<br />
e <strong>del</strong>la Ricerca.<br />
Giancarlo Prati<br />
Ernesto Ciaramella<br />
Antonella Bogoni<br />
Giampiero Contestab<strong>il</strong>e<br />
Luca Potì<br />
Scuola S. Anna, Pisa<br />
Iquadernidi