Fibre ottiche per applicazioni custom

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Dell’Oro Group, una società di ricerche di mercato che opera nella Silicon Valley da quasi quarant’anni, prevede nel suo Optical Transport Forecast Report ancora quattro anni di buon andamento per il mercato delle comunicazioni in fibra ottica e precisamente un Cagr (Compound Annual Growth Rate) del 10% fino al 2017 quanto il valore mondiale del settore raggiungerà 13 miliardi di dollari partendo dagli attuali 9,6.

La previsione, tuttavia, specifica che vi sarà nello stesso periodo un crollo del 20% delle reti Sonet/SDH compensato però da un’importante crescita delle reti WDM. Questa migrazione avverrà un po’ dappertutto, ma secondo gli analisti californiani potrebbe essere proprio l’Europa la regione più coinvolta dato che i maggiori fornitori pensano di portare la fibra ottica anche a livello dell’ultimo miglio attuando i programmi già in preventivo noti come fiber-to-the-node, fiber-to-the-cabinet e fiber-to-the-home.

Fig. 1 – È la Cina il maggior produttore di cavi in fibra ottica secondo Integer Research ed è anche l’area in maggior crescita nell’installazione di nuove dorsali

Come diretta conseguenza le dorsali ottiche da 40 Gbps saranno presto convertite nelle nuove a 100 Gbps e questo passaggio genererà un imponente crescita particolarmente per le reti WDM e persino con Cagr del 75% fino al 2017. Dello stesso avviso sono gli analisti londinesi di Integer Research che nell’ultimo report Fibre Optic Cable Market sottolineano che l’area geografica più importante per il mercato delle fibre ottiche rimane comunque l’Asia e specialmente la Cina dove, fra l’altro, è concentrata la maggior parte degli stabilimenti produttivi sia di cavi sia di moduli di trasmissione e ricezione.

Laboratori in fermento

Sono molte le ricerche in corso finalizzate al miglioramento delle tecnologie di comunicazione in fibra ottica. All’ultima Optical Fiber Communication Conference OFC/NFOEC di Los Angeles sono state presentate numerose novità sui laser ibridi sintonizzabili caratterizzati da una grande versatilità di implementazione che ne consente l’adattamento in un ampio range di configurazioni di rete e per lunghezze di tratta che vanno dai pochi metri fino alle centinaia di chilometri.

Fig. 2 – Con il grafene si possono realizzare modulatori ottici economici e velocissimi che possono contendere l’ultimo miglio alle attuali tecnologie cellulari

Un materiale che sta destando attenzione è il grafene perché i laboratori dell’Institute for Photonics and Quantum Electronics del teutonico Karlsruhe Institute of Technology (KIT-IPQ) hanno dimostrato possedere eccellenti qualità di modulazione ottica che possono essere sfruttate per trasmettere in fibra ben 20 Gbps su tratte brevi centrate a 200 GHz. Ciò significa trasferire i bit nell’ultimo miglio con velocità superiore di due ordini di grandezza rispetto alle migliori attuali tecnologie cellulari, ma secondo gli esperti del KIT-IPQ si potrebbe arrivare in breve tempo anche a 100 Gbps.

Inoltre, il grande valore aggiunto dei modulatori ottici di grafene è di essere straordinariamente competitivi perché in grado di offrire a basso costo un insieme di prestazioni decisamente interessanti: innanzi tutto possono essere facilmente configurati per sintonizzarsi in un ampio intervallo di lunghezze d’onda che va da 1,35 fino a 1,6 µm, in secondo luogo possono commutare a 3 dB a 1,2 GHz e, infine, occupano appena 25 µm².

Alla celebre università inglese di Southampton hanno svolto delle ricerche sulla possibilità di depositare dispositivi a semiconduttore grandi qualche decina di nanometri dentro a cavità delle stesse dimensioni ricavate nel mantello delle fibre ottiche relativamente vicino al nucleo. Questa soluzione sembra offra la possibilità di modulare i segnali ottici direttamente in fibra a velocità elevatissima.

Fig. 3 – Le fibre ottiche a doppio nucleo sperimentate nell’Università di Southampton consentono di realizzare i primi veri e propri sistemi MEMS in fibra

Nei primi esperimenti i ricercatori inglesi sono riusciti a modulare fino a 40 Gigabit al secondo su una portante di 3 GHz. Gli stessi ricercatori hanno anche realizzato dei prototipi di fibre ottiche contenenti due nuclei dentro un unico mantello distanziati da circa 1 µm e caratterizzati da un taglio ortogonale intermedio di circa mezzo micron che serve a favorire la correlazione fra i segnali dei due nuclei in modo tale da poter accoppiare elettromagneticamente le due radiazioni.

All’altezza di questi tagli si può applicare dall’esterno una pressione meccanica con direzione ben precisa, tale da indurre una modifica della geometria del taglio in grado di cambiare le condizioni di interferenza e provocare un’ampia gamma di effetti di modulazione sui segnali ottici in transito. In altre parole, sarebbero i primi MEMS realizzati in fibra e avrebbero prospettive di mercato sicuramente interessanti.

Interfacce in fibra ottica

Le fibre ottiche sono usate da anni nel settore medicale non solo per portare l’illuminazione laddove sarebbe impossibile altrimenti ma anche come veri e propri bisturi ottici in molte operazioni chirurgiche dove il laser consente ottimi risultati. Per le applicazioni particolarmente critiche di questo tipo sono indispensabili delle interfacce capaci di interagire con i segnali ottici e nel contempo permettere l’elaborazione digitale delle caratteristiche del fascio luminoso.

È proprio in questi prodotti che si è specializzata Timbercon, una società che ha sede a Tualatin, in Oregon, dove dal 1997 studia, progetta e fabbrica sistemi e soluzioni in fibra ottica per i settori industriale, militare, medicale e telecom. Oltre ai cavi in fibra ottica la società fornisce anche impianti completi, apparecchiature, dispositivi, sensori e software di gestione con cui soddisfare qualsiasi esigenza applicativa, anche specifica.

Fra i suoi prodotti di punta ci sono le interfacce di loopback per reti TCP/IP che servono a connettere gli host in modo che possano interagire e scambiarsi contenuti ottici anche senza essere allacciati a Internet. Quest’esigenza è molto sentita negli impianti locali dove ci sono più apparecchiature che devono lavorare in sinergia senza però avere bisogno della rete globale perché possono accontentarsi di una rete Internet virtuale che localmente è più semplice da gestire ed è anche più veloce dato che deve occuparsi di un carico circoscritto di funzionalità. Gli ambienti applicativi tipici con queste caratteristiche sono, per esempio, le macchine utensili per lavorazioni industriali di precisione, la strumentazione a bordo di navi o aerei e le attrezzature nelle sale operatorie.

Fig. 4 – Le interfacce ottiche Timbercon garantiscono precisione e affidabilità nelle condizioni applicative più impegnative soprattutto a bordo degli aerei e dentro le sale operatorie

Recentemente Timbercon ha rilasciato il nuovo QSFP/QSFP+ Electrical Loopback specifico per il test dei transceiver delle reti ottiche sulle porte di connessione QSFP/QSFP+ (Quad Small Form-factor Pluggable). Questo modulo è semplicissimo da usare perché basta avvolgerlo attorno al transceiver e leggere i test su PC e, inoltre, è completamente elettrico senza laser né fotodiodi né amplificatori ottici nel suo package MSA e ha perciò un basso costo assolutamente competitivo rispetto alle attuali soluzioni ottiche in commercio, pur consentendo la validazione dei terminali ottici e l’immediata visualizzazione diretta della correttezza di funzionamento attraverso gli indicatori a LED bicolore verde/ambra.

Un’altra novità è il connettore ottico PRIZM LightTurn in grado di collegare insieme ben 12 fibre tramite un’innovativa lente TIR (Total Internal Reflection) incapsulata che consente un efficace accoppiamento fra le terminazioni e permette di migliorare la densità di alloggiamento delle fibre ottiche sopra i circuiti stampati. La precisione e l’affidabilità di queste connessioni sono tali da non richiedere manutenzione risparmiando qualsiasi processo di lucidatura sulle fibre.

La famiglia dei connettori Armadillo Loopback LC/APC (Lucent Connector/Angled Polish Connector) è caratterizzata da un’angolazione di 8 gradi studiata per prevenire le riflessioni che possono degradare il trasferimento ottico soprattutto fra le fibre ottiche monomodali. Questi connettori garantiscono un’estrema precisione proprio nei collegamenti critici fra le fibre ottiche che trasportano i segnali a singolo modo tipici dei laser DFB (Distributed Feedback Laser).

Il modulo di Network Simulation Timbercon TrueWave RS Fiber and Corning LEAF Fiber serve a simulare le infrastrutture di rete per verificarne la correttezza di funzionamento e calibrazione, considerando le problematiche di PMD (Polarization Mode Dispersion) e valutando simultaneamente fino a otto canali ottici (monomodali o multimodali) con tratta fino a 200 km ciascuno. Infine, il modulo MT Ruggedized Coupler/Splitter semplifica l’installazione e la configurazione dei sistemi con più fibre ottiche perché ne permette il multiplexing ottico e assicura robustezza e affidabilità. Precisamente, ogni singolo modulo può accoppiare due segnali in uno o splittare un segnale in due ma si può comporre insieme ad altri moduli per realizzare sistemi di multiplexing rugged a più canali.

Lucio Pellizzari

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