Articoli di approfondimento - Trasmissione di dati su fibra ottica sensibile alla fase: una nuova frontiera
Tradizionalmente le comunicazioni commerciali su fibra ottica si basavano sulla codifica dei dati nell'ampiezza di un fascio di luce (in grado di variare l'intensità della luce per la trasmissione delle informazioni). Sebbene il posizionamento di dispositivi chiamati "erbio-amplificatori a fibra" a intervalli lungo la fibra, finalizzato al miglioramento periodico della potenza del segnale, consenta di superare il problema dell'attenuazione della propagazione, tale sistema determina un utilizzo relativamente inefficiente del potenziale della fibra. Il ricorso alla fase, piuttosto che all'ampiezza, di un fascio di luce per la codifica dei dati potrebbe determinare un aumento esponenziale della capacità di trasmissione delle informazioni. Tuttavia, l'entità del potenziale di miglioramento è limitata dal rumore aggiunto durante l'amplificazione ottica e dal "cross-talk" tra i canali caratterizzati da diverse lunghezze d'onda e provocato da interazioni ottiche non lineari. "Il cavo a fibra ottica presenta un'enorme capacità di trasmissione di dati mentre i sistemi commerciali possiedono ancora capacità superiori in termini di ordini di grandezza. Tuttavia, negli ultimi anni, abbiamo iniziato a imbatterci in limiti pratici nella ricerca di laboratorio mediante le tecniche di trasmissione esistenti e la tecnologia degli amplificatori ottici tradizionale", spiega il prof. David Richardson, vicedirettore del Centro di ricerca di optoelettronica (ORC) dell'Università di Southampton, nel Regno Unito. L'"amplificazione sensibile alla fase" (PSA) è stata identificata dal punto di vista teorico fin dagli anni '60 come strumento potenziale di amplificazione dei segnali ottici senza l'aggiunta di rumore. Di recente, è stato dimostrato che tale sistema rappresentava uno strumento di rimozione del rumore di fase (e, in misura minore, del rumore di ampiezza) proveniente dai segnali ottici degradati durante la trasmissione, una funzione nota con il nome di "rigenerazione ottica". Dopo aver appurato il fatto che i miglioramenti nell'ambito della tecnologia dei componenti ottici indicavano la possibilità concreta di creare una PSA pratica, un gruppo di ricercatori provenienti da otto organizzazioni partner collocate in sette diversi paesi ha lanciato il progetto Phasors ("Phase-sensitive amplifier systems and optical regenerators, and their applications"). Grazie ad uno stanziamento di 2,7 milioni di euro da parte della Commissione europea, il lavoro dei ricercatori ha consentito agli amplificatori a fibra sensibili alla fase di effettuare la transizione dal livello delle curiosità teoriche a quello dei dispositivi pratici. Riduzione del rumore e del "cross-talk" del canale "Sebbene fossimo consapevoli del fatto che la PSA consente di generare un'amplificazione del rumore molto bassa e di garantire la rimozione del rumore di fase all'interno dei sistemi di comunicazione ottica, ci attendevano enormi sfide a livello tecnologico", afferma il prof. Richardson, coordinatore scientifico dell'iniziativa Phasors. "Siamo stati in grado di dimostrare che, in uno scenario pratico, la creazione di una PSA è possibile e di svelare numerose proprietà vantaggiose in termini di riduzione del rumore del sistema, insieme ai miglioramenti associati nelle prestazioni di rete". Concentrando l'attenzione sullo sviluppo della tecnologia per le reti principali a banda larga da 40 gigabit al secondo (Gbps), il team del progetto Phasors ha presentato due dispositivi principali: un amplificatore sensibile alla fase e un rigeneratore ottico per i segnali a codifica di fase. Entrambi gli strumenti hanno dato prova di notevoli capacità in termini di riduzione del rumore nei sistemi di trasmissione. Il rumore di fase, vale a dire fluttuazioni casuali rapide e a breve termine della fase di un segnale, è causato da una serie di processi, che comprendono il rumore quantico aggiunto al processo di amplificazione e i segnali su diverse lunghezze d'onda che interagiscono tra di loro nella stessa fibra di trasmissione. Tale sistema determina una degradazione della fedeltà del segnale e ostacola le prestazioni di rete. Diversamente da quanto accade per gli amplificatori tradizionali, che sono insensibili alla fase, l'amplificatore Phasors è sensibile alla fase ed è in grado, come si è visto, di ridurre la cifra di rumore fino ad un valore leggermente superiore a 1 dB. Ciò è coerente con gli erbio-amplificatori a fibra tradizionali che registrano una cifra di rumore di almeno 3 dB e sono tipicamente più vicini a 5 dB. "Il raggiungimento dell'amplificazione ottica silenziosa rappresenta l'obiettivo principale nell'ambito della ricerca sugli amplificatori ottici", osserva il prof. Richardson. "Gli amplificatori Phasors rappresentano certamente un grande passo avanti in tale direzione". "Il subsistema di rigenerazione ottica Phasors elimina l'interferenza per i segnali codificati in fase binaria ad alta velocità. Mentre i dispositivi precedenti di rigenerazione del segnale convertono il segnale ottico in segnale elettronico, rallentando la velocità di trasmissione dei dati, il dispositivo Phasors riduce direttamente l'aumento del rumore di fase e del rumore di ampiezza all'interno del dominio ottico. Il progetto ha consentito anche di dimostrare la possibilità di modulare l'approccio di rigenerazione di base al fine di rendere possibile la rigenerazione dei segnali con livelli notevolmente più elevati di codifica di fase rispetto a quella binaria, illustrando, ad esempio, per la prima volta, la rigenerazione della "modulazione in quadratura a spostamento di fase (a quattro livelli)" (QPSK). "All'avvio del progetto Phasors, abbiamo tentato di dimostrare cosa è possibile e cosa non è possibile realizzare con l'elaborazione tutto-ottica del segnale e l'amplificazione dei segnali a codifica di fase. Questi dispositivi, oltre a dimostrare che la tecnologia non funziona, non solo a livello teorico ma anche a livello pratico, attivano alcune funzionalità molto utili ed efficaci, spiega il prof. Richardson. Dalla ricerca alle applicazioni commerciali Nel lungo termine, i risultati raggiunti da numerosi ricercatori in Europa, negli Stati Uniti e in altri stati, che proseguono il lavoro del gruppo Phasors, fanno ben sperare nel raggiungimento di miglioramenti significativi in termini di velocità, di capacità, di portata e di efficienza delle reti con fibra ottica. Inoltre, la tecnologia ha applicazioni importanti in una varietà di altri campi, tra cui prove e misurazioni ottiche, rilevamento e metrologia. I membri del consorzio Phasors stanno attualmente sviluppando dispositivi e tecnologie commerciali sulla base degli importanti progressi raggiunti nell'ambito del progetto. I componenti, comprese le fibre ottiche speciali e i laser ad alte prestazioni, stanno già generando ampi volumi di vendite. Il partner svedese EXFO, un fornitore globale di soluzioni per test di telecomunicazioni e di garanzia di servizi, ha sviluppato e sta attualmente vendendo un dispositivo per le prove e le misurazioni finalizzate alla caratterizzazione dei segnali complessi a codifica di fase e di ampiezza basati sul lavoro condotto nell'ambito del progetto. "Sebbene il progetto Phasors sia terminato, il suo impatto sarà avvertito sicuramente a lungo in futuro", spiega il prof. Richardson. "I componenti e i sistemi di misurazione ad alte prestazioni sono già sul mercato e l'interesse della ricerca nei confronti della tecnologia PSA nelle telecomunicazioni e nei settori di applicazione adiacenti è in costanteaumento. Solo in Europa, si registrano numerosi progetti finanziati a livello nazionale e avviati a partire dalla nostra ricerca, mentre nel resto del mondo sono state create altre grandi iniziative nel settore". "Il progetto Phasors ha suscitato anche un notevole interesse a livello accademico", continua Richardson. "Sono stati pubblicati su riviste scientifiche di spicco, tra cui "Nature Photonics", numerosi articoli di alto profilo e sono stati inoltre presentati articoli prestigiosi nel corso di grandi conferenze internazionali, tra cui la recente conferenza scientifica europea sulle telecomunicazioni in fibra ottica (OFC 2012), tenutasi negli Stati Uniti, all'occasione della quale è stato presentato un numero importante di articoli sull'elaborazione dei segnali ottici sensibili alla fase". Il progetto Phasors ha ricevuto finanziamenti di ricerca in forza del settimo Programma quadro dell'Unione europea (7° PQ). Link utili: - Sito web del progetto "Phase Sensitive Amplifier Systems and Optical Regenerators and their applications" - Scheda informativa del progetto PHASORS su CORDIS Articoli correlati: - Progetto finanziato dall'UE migliora la trasmissione di dati globale - Un nuovo amplificatore ottico senza rumore - PHASORS migliora le reti di comunicazione ottica - Nuovo progetto apre la strada alla nuova generazione di reti ottiche - "All-optical phase and amplitude regenerator for next-generation telecommunications systems", Nature Photonics 4, 690–695, 2010 - "Multilevel quantization of optical phase in a novel coherent parametric mixer architecture", Nature Photonics 5, 748–752, 2011