Sistemi Ottici di Trasmissione I.1 - Risorse di un Sistema di Trasmissione Nel progetto di un sistema di trasmissione, il cui scopo basilare é il trasferimento da una sorgente ad un utilizzatore di un segnale portatore di informazione, devono essere sfruttate al meglio le risorse caratteristiche del mezzo fisico che consente l’effettuazione del collegamento, detto mezzo portante (o semplicemente portante). Sia dal punto di vista squisitamente tecnico che da quello economico, le risorse di maggiore importanza sono la banda e la potenza del segnale necessarie per effettuare una data trasmissione. Nell’ambito dei sistemi di comunicazione numerica, la banda di un portante é immediatamente collegata alla massima velocità di segnalazione (e quindi di trasmissione dell’informazione) che il portante stesso é in grado di supportare. Per trasmissioni binarie, un flusso di informazione ad Rb bit/s necessita di una banda B dell’ordine di Rb÷2Rb Hz che il portante deve essere in grado di garantire. Inoltre, per effetto dei disturbi che accompagnano la trasmissione e la ricezione del segnale (rumore elettronico, interferenze ecc.), ogni ricevitore é caratterizzato da un livello di sensibilità, cioè da una potenza minima del segnale ricevuto che garantisce il raggiungimento di determinate specifiche di qualità del servizio, tipicamente un certo rapporto segnale/rumore, un fissato tasso d’errore sul bit, una determinata probabilità di perdita di pacchetti di bit o grandezze similari. Questo secondo aspetto pone delle limitazioni inferiori alla potenza trasmessa, date le caratteristiche di attenuazione del segnale da parte del portante utilizzato. Note infatti dette caratteristiche, nonché la sensibilità del ricevitore, la limitazione sulla potenza ricevuta può essere traslata in una limitazione sulla distanza massima L che il collegamento é in grado di supportare, assegnata la potenza massima che il trasmettitore é in grado di erogare. Un modo di compendiare i due aspetti appena citati di efficienza spettrale ed energetica di un dato sistema di trasmissione é quello di introdurre un parametro di efficienza globale dato dal prodotto tra la velocità di trasmissione massima B ottenibile su un certo portante con una data tecnica di modulazione, e la massima distanza L che é possibile coprire con lo stesso portante, assegnata la desiderata qualità del servizio    (Bit/s·km). Le due risorse citate possono essere sfruttate al meglio con un opportuno progetto dei metodi di trasmissione e ricezione; ad esempio, l’efficienza spettrale di una trasmissione può essere migliorata ricorrendo a modulazioni multilivello, mentre l’efficienza energetica può aumentare usando modulazioni codificate o codici a protezione d’errore. Tuttavia, ogni mezzo portante é intrinsecamente caratterizzato da limitazioni fondamentali di carattere fisico sulla banda e/o l'attenuazione che non possono essere oltrepassate. L’evoluzione nell’efficienza dei sistemi di telecomunicazione procede dunque per miglioramento lento e continuo all’interno del ciclo di vita di un certo tipo di tecnologia collegata ad un certo portante, alternato a bruschi salti corrispondenti all’introduzione di nuovi e più capaci portanti. Tale evoluzione é rappresentata nella figura seguente, ove é mostrato un grafico qualitativo del parametro di capacità al variare degli anni ed al variare dei mezzi portanti che la tecnologia ha di volta in volta messo a disposizione. Dai pochi bit/s caratteristici delle tecnologie elettromeccaniche del telegrafo, si é passati al migliaio di bit/s della linea telefonica fino ai Mbit/s del cavo coassiale in rame e dei collegamenti radio a µonde via satellite ed in ponte radio. La tecnologia che garantisce la maggior capacità di trasporto é attualmente quella dei collegamenti su fibra ottica. La netta superiorità dei sistemi ottici di trasmissione aventi la fibra come portante deriva particolarmente dalla enorme banda che questa mette a disposizione. Dal punto di vista della distanza caratteristica del collegamento infatti, la fibra allo stato attuale dell’arte, garantisce una attenuazione del segnale di un fattore pari a    (L misurato in km) mentre l’attenuazione di un segnale radio alla frequenza f0 = 1 GHz (corrispondente ad una lunghezza d’onda = c/f0 = 0.3 m, ove c = 3·10 8 m/s é la velocità di propagazione dell’onda elettromagnetica nel vuoto) é pari a    (L misurato in km) Fig. I.1 - Capacità allo stato dell’arte dei vari portanti al variare delle tecnologie. che risulta più favorevole di quella della fibra già ad esempio per L = 800 km. D’altronde, é noto che i sistemi passa-banda operanti ad una certa frequenza portante f0 sono vincolati per motivi tecnologici a trattare segnali aventi una banda B pari al più a qualche percento della f0. La banda relativa = B/f0 dei segnali passa-banda portatori di informazione é quindi in generale limitata a qualche percento; poniamo per fissare le idee = 0.01. Risulta quindi che la banda di un sistema radio con f0 = 10 GHz (0 = 3 cm) é dell’ordine dei 100 MHz (100 Mbit/s), valore indicativo dei sistemi via satellite delle ultime generazioni. Al contrario, i segnali ottici su fibra sono caratterizzati da lunghezze d’onda nell’infrarosso vicino, in particolare 0 = 0.8÷1.6 µm, corrispondenti a frequenze portanti tra i 190 e i 380 THz. La banda relativa disponibile per trasferire informazione é quindi dell’ordine di qualche THz, 4 ordini di grandezza maggiore di quella caratteristica del sistema radio. Per dare un’idea della enorme capacità di una singola fibra ottica, calcoliamo il numero N di canali telefonici standard PCM a 64 kbit/s che potrebbero in teoria essere trasmessi con multiplazione a suddivisione di frequenza (FDM) su tale fibra. Valutando grossolanamente la spaziatura frequenziale tra i canali in 2x64 = 128 KHz, una banda di circa 2 THz conterrebbe approssimativamente 15,625,000 segnali vocali, una cifra dell'ordine di grandezza del numero di conversazioni telefoniche contemporaneamente attivi in tutto il mondo ad un dato istante! Un esempio di sistema ottico di trasmissione ad altissima capacità delle ultime generazioni é il cavo transcontinentale FLAG che entrerà in servizio nel 1997, il cui percorso é mostrato nella figura seguente. Il FLAG (Fiber-Optic Link Around the Globe) si estende ininterrottamente per 27,000 km dalla Gran Bretagna al Giappone (costituisce infatti il più esteso manufatto mai realizzato dall'uomo) collegando 12 paesi a 10 Gbit/s full-duplex per una capacità totale di circa 120,000 canali telefonici su due coppie di fibre a 5 Gbit/s per coppia. Le realizzazioni allo stato dell'arte cominciano dunque ad avvicinarsi alle prestazioni teoriche appena calcolate. Fig. I.2 - Percorso del cavo FLAG dalla Gran Bretagna al Giappone. I.2 - Sistemi Ottici di Trasmissione La trasmissione ottica nasce assecondando la tendenza generale del settore delle telecomunicazioni di sviluppare tecnologie per mezzi portanti a frequenza sempre maggiore, e quindi con capacità trasmissive sempre maggiori. Se prendiamo in considerazione lo spettro della radiazione elettromagnetica mostrato nella figura seguente, notiamo che al di lá delle onde centimetriche caratteristiche dei sistemi a µonde (satelliti, ponti radio) attualmente limitati a frequenze inferiori ai 30 GHz (0 = 1 cm), abbiamo le cosiddette onde millimetriche (0 da 10 a 1 mm) usate nel campo del rilevamento ambientale e che si stanno affacciando solo recentemente nel settore delle radiocomunicazioni, e quindi la radiazione del cosiddetto infrarosso lontano (0 circa compreso tra 1000 e 10 µm) e infrarosso vicino (0 da 10 a 0.76 µm) ove l’aggettivo si riferisce alla minore o maggiore prossimità alla zona compresa tra gli 0.38 e gli 0.76 µm della radiazione visibile. Come già precisato, la zona dell’infrarosso vicino é quella di interesse per le comunicazioni ottiche perché le fibre in materiali vetrosi silicei presentano in questa zona la massima trasparenza al segnale (cioè la minima attenuazione). Fortunatamente, é stato anche possibile sviluppare componenti miniaturizzati a semiconduttore ad alta affidabilità funzionanti in questa banda e utilizzabili come sorgenti e rivelatori di segnali ottici. Fig. I.3 - Spettro della radiazione elettromagnetica. I sistemi in fibra ottica hanno trovato larga applicazione a partire dalla fine degli anni ‘70, ed hanno completamente soppiantato i precedenti sistemi su cavo in rame coassiale per le trasmissioni a lunga distanza e grande capacità. Per questa stessa applicazione, i collegamenti in fibra stanno rendendo anche rapidamente obsoleti i ponti radio a grande traffico, che negli anni ‘50 costituivano la spina dorsale delle reti telefoniche nazionali. Anche le comunicazioni via satellite sono state influenzate dall’introduzione delle telecomunicazioni su fibra. Infatti, la tipica applicazione dei satelliti per telecomunicazioni é stata fino agli anni ‘80 il collegamento punto-punto transoceanico (o comunque a grande distanza) ad alta capacità per la trasmissione di canali televisivi e di traffico telefonico; a partire dagli anni ‘90, questo ruolo viene svolto in misura sempre più rilevante da cavi in fibra, più economici e più affidabili a parità di capacità o molto più capaci a parità di costo. Nella seguente tabella sono riassunte le prestazioni tipiche dei sistemi di trasmissione ottica delle cosiddette prime tre generazioni, insieme con tre esempi di collegamenti ottici a lunghissima distanza in esercizio, a partire dal cavo TAT-8 che ha inaugurato la trasmissione transoceanica su fibra. È interessante osservare che il TAT-9, entrato in servizio tra gli Stati Uniti d’America e la Gran Bretagna nel 1992, ha una capacità pari al totale di tutti i satelliti per telecomunicazioni che alla stessa data coprivano la stessa tratta. L'evoluzione naturale delle telecomunicazioni via satellite per il prossimo futuro prevede dunque applicazioni per le quali le caratteristiche peculiari del satellite vengano sfruttate al meglio: trasmissioni di tipo diffusivo (broadcasting), collegamenti con utenti mobili o fissi in siti remoti e, infine, rimpiazzo di emergenza di sistemi fissi. Generazione o tipo di sistema Lunghezza d'onda (m) Capacità (Mb/s) Distanza indicativa (Km) I 0.85 90 12 II 1.3 565 45 III 1.55 2500 100 Cavo Sottomar.TAT-8, 1988 1.3 2 x 140 40 Cavo TAT-9, 1992 1.55 4 x 140 80 Cavo TAT-12/13, 1995 1.55 32 x 155 30÷50 Doppio Anello Tab. I.I - Esempi di Sistemi ad Alta Capacità in Fibra Ottica L'ultima colonna si riferisce alla lunghezza di una tratta senza ripetitori. I.3 - Schema di Massima di un Sistema di Trasmissione su Fibra Ottica Il raggiungimento delle attuali grandi capacità dei sistemi su fibra é stato reso possibile principalmente da due fattori: la messa a punto di sorgenti luminose a semiconduttore di dimensioni ridotte, alta efficienza e alta affidabilità, come il diodo emettitore di luce (LED, Light-Emitting Diode) e soprattutto il LASER (Light Amplification by Stimulated-Emission Radiation) a semiconduttore, e l’affinamento delle tecniche di produzione industriale delle fibre in vetro, che ha reso disponibili a costi industriali le fibre ad alta qualità usate oggigiorno per i collegamenti ad alta capacità. Lo schema mostrato nella figura seguente rappresenta genericamente un collegamento tra una sorgente ed un utente di informazione collegati da un canale di trasmissione ottico. Il canale stesso é poi "esploso" nei componenti-base costituiti dal trasmettitore, dalla fibra che rappresenta il mezzo portante, e dal ricevitore. Nella totalità dei casi pratici, l’informazione (numerica o analogica) che deve essere trasmessa é associata ad un segnale elettrico; il trasmettitore può essere visto quindi sotto un duplice aspetto: esso può essere infatti considerato un modulatore che imprime l’informazione data su di una portante alle frequenze ottiche, oppure può essere considerato come una sorta di trasduttore che trasferisce l’informazione da un segnale in ambito elettrico ad un segnale in ambito ottico (così come il trasmettitore del telegrafo di Morse trasferiva l’informazione da un ambito meccanico ad un ambito elettrico più adatto alla trasmissione). Fig. I.4 - Trasmissione dell'informazione su fibra. Lo stesso duplice aspetto riguarda evidentemente anche il ricevitore, che svolge la funzione duale al trasmettitore, recuperando un segnale elettrico cui é associata l’informazione ricevuta, a partire dal segnale ottico all’uscita della fibra. La necessità delle conversioni elettroottica e optoelettronica rappresenta un "collo di bottiglia" allo sfruttamento della enorme banda della fibra. Allo stato attuale della tecnologia infatti, é impensabile realizzare trasmissioni numeriche monocanale a velocità maggiori di circa 10 Gbit/s, perché i componenti optoelettronici interfacciati alla fibra non consentono di trattare segnali con una velocità maggiore. La banda complessiva di qualche THz messa a disposizione dalla fibra deve quindi essere sfruttata in altra maniera, ad esempio attraverso più trasmissioni contemporanee di più flussi dati su diverse lunghezze d’onda (WDM, Wavelength Division Multiplexing). Fig. I.5 - Schema generale di trasmissione numerica su fibra. Lo schema semplificato di un tipico sistema di trasmissione numerica su fibra (a modulazione d'intensità e rivelazione diretta) é mostrato nella precedente figura. La modulazione dati é impressa con la tecnica cosiddetta On-Off Keying (OOK) ovvero "a tutto o niente": la sorgente luminosa, in questo caso un diodo LASER, viene accesa alla massima potenza oppure completamente spenta variando la corrente di pilotaggio del dispositivo, a seconda che il bit di informazione assuma, rispettivamente, il valore logico "1" oppure il valore logico "0". Il segnale modulato prodotto dal LASER ad una certa lunghezza d’onda viene, quindi, opportunamente accoppiato alla fibra ottica che é costituita in prima approssimazione da un filo estremamente sottile (di diametro paragonabile a quello di un capello umano) di vetro purissimo irrobustito da opportuni rivestimenti. La fibra si comporta come una guida d'onda ottica, permettendo la propagazione guidata del segnale modulato per una lunghezza L. Tale segnale viene dunque raccolto all’estremità terminale della fibra da un dispositivo fotorivelatore (ancora un diodo a semiconduttore) che fornisce in uscita una corrente elettrica proporzionale all’intensità del segnale luminoso ricevuto attraverso un coefficiente detto responsivity del dispositivo. Il segnale all’uscita del fotorivelatore viene trattato da un filtro integratore con scarica (Integrate and Dump) per eliminare i disturbi introdotti nel processo di fotorivelazione, e viene infine rigenerato dal circuito a scatto (soglia) finale. Si ottiene dunque in ricezione una replica del segnale di pilotaggio del LASER di trasmissione, contenente l’informazione prodotta dalla sorgente. Poiché non viene effettuato alcun tipo di elaborazione del segnale ottico all’uscita dalla fibra prima della fotorivelazione, il ricevitore appena descritto é chiamato a rivelazione diretta e costituisce lo schema usato nella pressoché totalità dei sistemi di trasmissione in fibra attualmente in esercizio. I.4 - Generazioni di Sistemi Ottici di Trasmissione I sistemi a modulazione di intensità e rivelazione diretta (IM/DD, Intensity Modulation / Direct Detection) sono convenzionalmente distinti in "generazioni" successive, a seconda dei dettagli di funzionamento, in particolare a seconda del tipo della fibra e della lunghezza d’onda di lavoro. La possibilità di usare una fibra ottica in vetro come guida d’onda per un segnale ottico é nota fin dagli anni ‘20; la prima proposta fondata di usare le fibre come portanti per telecomunicazioni a lunga distanza si fa risalire al 1966. L’applicazione pratica di tali concetti fu però ostacolata da questioni tecnologiche, poiché le prime fibre vetrose presentavano all’epoca un coefficiente di attenuazione di segnale pari a circa 1000 dB/km che le rendeva inutilizzabili ai fini pratici. Attorno al 1970 la ditta Corning Inc., sviluppò un procedimento per la produzione industriale di fibre con una attenuazione inferiore ai 20 dB/km, che rese i sistemi in fibra competitivi con quelli su cavo coassiale. La caratteristica di attenuazione al variare della lunghezza d’onda di una moderna fibra (monomodo) allo stato dell’arte é mostrata nella figura seguente, ove sono evidenziate le zone di funzionamento principali, cosiddette finestre, dei sistemi delle varie generazioni. La prima generazione di sistemi ottici, apparsa sul finire degli anni ‘70, fa uso di componenti optoelettronici in GaAs (Arseniuro di Gallio) adatti a funzionare alla lunghezza d’onda di 0.85 µm (I finestra), e di fibre ottiche cosiddette multimodo, cioè in grado di far transitare il segnale secondo diverse modalità di propagazione. La capacità di questi sistemi é limitata soprattutto dalla intrinseca incapacità delle fibre multimodo di trattare segnali a larga banda. La seconda generazione, tipica degli anni ‘80, é caratterizzata da una lunghezza d’onda di funzionamento di 1.3 µm (II finestra) e da fibre in cui il modo di propagazione del segnale é unico (fibre monomodo). L’insieme di queste caratteristiche porta un enorme aumento nella capacita rispetto ai sistemi di I generazione, che é stata però ulteriormente migliorata dai sistemi di III generazione funzionanti nella zona di minima attenuazione della fibra (III finestra, 0 = 1.55 µm per una attenuazione di circa 0.25 dB/km). I sistemi delle generazioni attualmente in sviluppo sono ulteriormente orientati all’aumento della capacità; quelli di IV generazione promettono un aumento della sensibilità dei ricevitori attraverso diverse tecniche di rivelazione del segnale (sistemi coerenti o sistemi IM/DD con amplificatore ottico), mentre quelli che potrebbero costituire la V generazione (sistemi solitonici) si avvalgono delle proprietà di propagazione nonlineare del segnale ottico in fibra per controbattere il fenomeno della dispersione cromatica e quindi aumentare la banda utile di trasmissione. Fig. I.6 - "Finestre" di funzionamento dei sistemi di trasmissione su fibra. I sistemi di trasmissione punto-punto ad alta capacità su fibra godono di alcuni ulteriori vantaggi nei confronti dei concorrenti su cavo in rame o via radio, derivanti immediatamente dalla natura stessa del portante. I cavi in fibra presentano infatti peso, dimensione e in alcuni casi costo ridotto rispetto ai cavi in rame, e sono anche insensibili alle interferenze elettromagnetiche (caratteristica assai importante per applicazioni militari o in ambienti ad alto inquinamento elettromagnetico). Inoltre, assai difficilmente é possibile intercettare messaggi su cavi in fibra senza compromettere l'integrità del collegamento (cosa invece possibile con i cavi in rame o i collegamenti radio). Viceversa, la tecnologia necessaria per fabbricare e stendere i cavi in fibra, nonché dotarli di connettori, é più delicata di quella relativa ai cavi in rame, specialmente per applicazioni a bassa capacità e, quindi, basso costo. I.5 - Architetture Avanzate di Sistemi di Comunicazione su Fibra La figura seguente suggerisce che i servizi richiesti dal generico utente ad una moderna rete di telecomunicazione, contestualmente ad una netta diversificazione dalla tradizionale semplice telefonia, richiedono capacità di trasporto sempre maggiori. Fino agli ultimi tempi, il campo preminente di applicazione dei sistemi in fibra é stato, come già accennato, il collegamento punto-punto a grande capacità tra centrali di scambio telefoniche per trasmissione di conversazioni vocali in reti PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy). In risposta alla richiesta dei servizi sempre più articolati e impegnativi appena visti, si prevede però che in un futuro abbastanza prossimo, le fibre debbano giocare un ruolo chiave nel dispiegamento delle reti a larga banda che seguiranno gli standard di trasmissione ed accesso attualmente in fase di definizione e progetto (rispettivamente SDH, Synchronous Digital Hierarchy e ATM, Asynchronous Transfer Mode). Attraverso tali sistemi, si prevede di raggiungere l’integrazione dei servizi in un’unica rete numerica (B-ISDN, Broadband Integrated Service Digital Network) in cui l’informazione transita a prescindere dal tipo di applicazione cui si riferisce (voce digitalizzata, dati, musica ad alta qualità codificata, fax numerico, TV digitale etc.) e raggiunge direttamente l’utenza finale. Quindi, i sistemi su fibra costituiranno (e già oggi costituiscono in alcune applicazioni pilota) il tessuto connettivo per applicazioni di tipo punto-multipunto (essenzialmente reti di distribuzione di programmi televisivi e/o servizi multimediali) o multipunto-multipunto (reti locali o metropolitane di calcolatori), sia che tali servizi si appoggino alla B-ISDN, sia che, in una diversa ipotesi di evoluzione, si basino su reti dedicate indipendenti da questa. Un ragionevole scenario per l'ulteriore sviluppo dei sistemi su fibra prevederebbe quindi che, con il diffondersi dei servizi "di abbonato" cosiddetti a larga banda sopra citati e con il progredire della tecnologia dei componenti ottici, le trasmissioni ottiche si diffondessero capillarmente fino alla casa dell’abbonato, rimpiazzando man mano gli attuali sistemi di trasmissione su rame. La convenienza economica di una siffatta architettura di rete (la cosiddetta fibra-in-casa) é però oggetto di dibattito, e quindi risulta particolarmente difficile allo stato attuale prevedere l'evoluzione futura delle reti di abbonato in fibra. Fig. I.7 - Velocità di bit dei servizi e delle reti per telecomunicazioni. Non verranno presi in considerazione, nelle pagine successive, i sistemi di trasmissione ottica in campo libero, un esempio dei quali é il familiare telecomando degli apparecchi televisivi. La trasmissione ottica in campo libero é stata usata in passato sperimentalmente per coprire brevi collegamenti (< 1 km) per trasmissioni telefoniche in campo militare (bassa probabilità di intercettazione dovuta all'alta direttività del segnale ottico emesso), mentre attualmente gode di una certa diffusione nel campo dei "dispositivi senza filo" per calcolatori personali (tastiere, stampanti, dispositivi di puntamento). Tra gli sviluppi più affascinanti e/o promettenti delle trasmissioni ottiche in campo libero citiamo i collegamenti intersatellitari ad alta velocità mediante LASER ad alta potenza collimati, e la possibilità di realizzare reti locali di trasmissioni dati tra terminali senza filo e/o portatili. Poiché queste applicazioni rivestono attualmente una importanza piuttosto esigua nel contesto dei sistemi ottici di comunicazione, non verranno prese in considerazione nel seguito. I principali sottosistemi che compongono un collegamento su fibra per telecomunicazioni sono trattati nelle pagine successive, insieme con alcune considerazioni sul progetto d’insieme e sui possibili sviluppi futuri nel settore.

Indice Capitoli       Ritorna all'inizio       Le Fibre Ottiche