In telecomunicazioni con il termine comunicazioni in fibra ottica si designa una parte delle comunicazioni ottiche ovvero l'insieme delle tecniche finalizzate a trasmettere informazione da un luogo ad un altro attraverso la propagazione guidata di segnali ottici (luce) in una fibra ottica come mezzo trasmissivo: la luce forma una portante elettromagnetica che viene modulata per trasportare informazione. Esse appartengono dunque alle comunicazioni ottiche.
Nati e sviluppati per la prima volta a partire dagli anni settanta i sistemi di comunicazione in fibra ottica hanno rivoluzionato l'industria delle telecomunicazioni ed hanno giocato un ruolo fondamentale nell'avvento dell'Era dell'informazione divenendo un elemento cardine delle cosiddette reti di trasporto dell'informazione, di cui essi rappresentano la tecnologia implementativa a livello fisico: a causa dei vantaggi rispetto alle comunicazioni elettriche, le trasmissioni in fibra ottica hanno infatti largamente soppiantato le comunicazioni su rame.
Storia La necessità di avere sistemi di comunicazioni su lunga distanza affidabili esiste fin dall'antichità. Nel tempo il grado di sofisticazione di tali sistemi è gradualmente aumentato, dai segnali di fumo, al telegrafo e infine al primo cavo coassiale messo in servizio nel 1940. Il miglioramento di questi sistemi ha fatto sì che si presentassero limitazioni fondamentali. I sistemi elettrici sono limitati dalle ridotte distanze di amplificazione (la distanza lungo cui il segnale si può propagare prima che l'attenuazione imponga l'amplificazione del segnale), e la bit-rate dei sistemi a microonde è limitata dalla frequenza di portante. Nella seconda metà del ventesimo secolo, ci si è resi conto che l'utilizzo di una portante ottica avrebbe portato a significativi vantaggi rispetto ai sistemi in uso.
Tuttavia, all'epoca non era disponibile una sorgente di luce coerente o un mezzo di trasmissione adatto. Quindi, dopo che lo sviluppo dei laser negli anni sessanta risolse il primo problema, fu proposto lo sviluppo di fibre ottiche di alta qualità come soluzione al secondo. Le fibre ottiche furono sviluppate infine negli anni Settanta dalla Corning con attenuazioni sufficientemente basse per scopi di comunicazione (circa 20 dB/km) e nello stesso tempo furono realizzati i laser a semiconduttore in GaAs, compatti e quindi adatti per i sistemi di telecomunicazione in fibra ottica.
Dopo un periodo di intensa ricerca dal 1975 al 1980, furono sviluppati i primi sistemi commerciali di comunicazione su fibra ottica, che operavano a lunghezze d'onda intorno agli 800 nm e usavano laser a semiconduttore in GaAs. La "prima generazione" operava a bitrate di 45 Mb/s, con ripetitori spaziati di 10 km.
La "seconda generazione" di comunicazione su fibra ottica fu sviluppata per uso commerciale nei primi anni ottanta, operava a 1.3 µm e usava laser a semiconduttore InGaAsP. Questi sistemi erano inizialmente limitati da fenomeni di dispersione intermodale, ma già dal 1981 la single-mode fiber si rivelò in grado di migliorare sostanzialmente le prestazioni del sistema in tal senso. Intorno al 1987, questi sistemi operavano a bitrate fino a 1.7 Gb/s con ripetitori distanziati fino a 50km.
La "terza generazione" di sistemi in fibra operava a 1.55 µm con perdite di circa 0,2 dB/km. Il risultato fu ottenuto nonostante alcune difficoltà iniziali dovute all'allargamento degli impulsi alla lunghezza d'onda di lavoro utilizzando laser a semiconduttore tradizionali in InGaAsP. Gli scienziati superarono questo problema utilizzando fibre dispersion shifted che presentano il minimo di dispersione a 1.55 µm o limitando lo spettro dei laser ad un singolo modo longitudinale. Questi sviluppi consentirono ai sistemi commerciali di terza generazione di operare a 2.5 Gb/s, con ripetitori distanziati di oltre 100 km.
La "quarta generazione" di sistemi in fibra introdusse l'amplificazione ottica per ridurre la necessità di ripetitori e il Wavelength Division Multiplexing (WDM), per aumentare la capacità della fibra. Questi due miglioramenti causarono una rivoluzione che comportò un raddoppio della capacità dei sistemi ogni 6 mesi a partire dal 1992, fino a quando non fu raggiunta nel 2001 la capacità di 10 Tb/s. Recentemente sono state raggiunte bitrate di 14 Tb/s su una singola linea lunga 160 km, utilizzando amplificatori ottici.
L'obiettivo della ricerca per la quinta generazione di comunicazioni in fibra ottica è quello di estendere l'intervallo di lunghezze d'onda su cui possono operare i sistemi WDM. La finestra convenzionale, nota come banda C, copre le lunghezze d'onda nell'intervallo 1.53-1.57 µm e la nuova "dry fiber" presenta basse perdite che promettono un'estensione della finestra fino ad un intervallo compreso tra i 1.30 e i 1.65 µm.
Negli ultimi anni Novanta e fino al 2000, l'industria delle comunicazioni ottiche venne associata alla bolla speculativa delle dot com. Promotori e compagnie di ricerca come la KMI e la RHK, previdero un grande aumento della domanda di banda a causa dell'aumento dell'uso di Internet e la commercializzazione di vari servizi ad alto uso di banda, come il video on demand. Si prevedeva che il traffico IP sarebbe cresciuto esponenzialmente ad un tasso superiore di quanto non fosse aumentata la complessità dei circuiti integrati secondo la legge di Moore. Dall'esplosione della bolla speculativa fino al 2006 tuttavia, le tendenze principali nell'industria del settore sono stati il consolidamento dei marchi e l'offshoring della produzione per ridurre i costi.
Descrizione In generale comunicare tramite fibra ottica richiede essenzialmente i seguenti passaggi:
Creare il segnale ottico usando un trasmettitore Trasmettere il segnale in fibra, assicurandosi che non diventi troppo debole o troppo distorto Ricevere il segnale ottico e convertirlo in un segnale elettrico
Un'infrastruttura di rete in fibra ottica che supporti una comunicazione ottica è dunque radicalmente diversa da sistemi di comunicazione in rame che supportino una comunicazione elettrica in quanto oltre alla fibra ottica come mezzo trasmissivo è necessario tutta una serie di dispositivi di ricetrasmissione che supportino e trattino un segnale di tipo ottico e non un segnale elettrico ovvero dispositivi optoelettronici oppure completamente ottici obbligando dunque ad un ripensamento dei precedenti sistemi elettrici di trasmissione, ricezione e amplificazione. Lo stesso rumore nelle comunicazioni ottiche non sarà più rumore termico di tipo elettrico cioè vibrazioni degli elettroni, ma sarà costituito da emissione di fotoni spuri indesiderati.
Limitazioni Attraverso una combinazione di tecniche avanzate per la gestione della dispersione, del WDM e degli amplificatori ottici, le fibre ottiche moderne sono in grado di trasportare informazione a decine di terabit al secondo su lunghezze di migliaia di chilometri. Ad oggi la ricerca sta cercando di ridurre l'impatto dei maggiori fattori che limitano le comunicazioni in fibra; i fattori su cui si sta concentrando la ricerca sono:
Attenuazione; Dispersione; Polarization Mode Dispersion (PMD); Effetti non lineari in fibra;
In particolare l'attenuazione delle fibre attuali si attesta intorno agli 0,2 dB/Km. Questo valore è molto inferiore a quello che garantisce qualunque mezzo utilizzato nelle trasmissioni elettriche; tuttavia l'attenuazione delle fibre in uso non può essere ulteriormente ridotta a causa di fenomeni fisici non eliminabili, primo tra tutti lo Scattering di Rayleigh. Per questo motivo è oggi in fase di sviluppo una nuova categoria di fibre, dette fibre a cristallo fotonico che si spera possano consentire attenuazione nell'ordine di 0,1 dB/km.
Confronto con le comunicazioni elettriche La scelta fra trasmissioni ottiche ed elettriche (o "in rame") per un determinato tipo di sistema si basa su diversi compromessi. La fibra ottica è in generale preferita per sistemi a banda più elevata o per distanze superiori a quelle che possono garantire i sistemi elettrici. I maggiori vantaggi della fibra sono le sue perdite eccezionalmente limitate, che consentono lunghe distanze tra amplificatori, e la sua intrinseca capacità di trasportare grandi quantità di informazione. Infatti, sarebbero necessari migliaia di fili in rame per rimpiazzare una sola fibra. Un altro vantaggio è che più fibre possono correre fianco a fianco per migliaia di chilometri senza incorrere in fenomeni di crosstalk apprezzabili, a differenza di numerosi tipi di linee di trasmissione.
Nelle applicazioni su breve distanze e che richiedano banda limitata, spesso, le comunicazioni di tipo elettrico sono preferibili a causa di Minori costi per i materiali quando si desiderano quantità non molto elevate Costo minore di trasmettitori e ricevitori Facilità di giuntazione Capacità di trasportare l'alimentazione elettrica insieme ai segnali
Grazie a questi vantaggi, le comunicazioni ottiche non sono molto diffuse in applicazioni a breve e brevissima distanza (LAN, trasmissioni da chip a chip), anche se è stato dimostrato che i sistemi ottici scalano anche su queste dimensioni.
In alcune situazioni, la fibra può anche essere usata su brevi distanze e dove sia richiesta poca banda; infatti la fibra presenta numerosi vantaggi tra cui: Immunità alle interferenze elettromagnetiche Alta resistenza elettrica che la rende sicura da usare vicino a strumenti ad alto voltaggio o tra aree in cui il riferimento di terra è diverso Maggiore sicurezza: non produce scintille, caratteristica importante in ambienti infiammabili o ricchi di gas esplosivi Maggiore leggerezza, utile ad esempio negli aeroplani Assenza di radiazione elettromagnetica e quasi impossibilità di intercettare il segnale senza distruggerlo, importante in ambienti ad alta riservatezza Cavi molto più piccoli e quindi adatti a spazi ridotti
La limitazione attuale delle comunicazioni in fibra ottica in un contesto tipico di rete è rappresentato dalla mancanza della memoria ottica (buffer ottico) e del processing ottico (es. nella commutazione) per i quali sono necessarie conversioni dal dominio ottico a quello elettrico in ingresso e viceversa in uscita.
Standard Per garantire a diversi produttori di sviluppare componenti compatibili tra loro in sistemi di comunicazione in fibra ottica, sono stati sviluppati diversi standard. La International Telecommunication Union (ITU) pubblica diversi standard riguardanti le caratteristiche e le prestazioni delle fibre, tra cui ITU-T G.651, "Caratteristiche di una fibra multimodo graded-index 50/125 µm" ITU-T G.652, "Caratteristiche di una fibra singolo modo"
Altri standard, sviluppati da numerosi organismi di standardizzazione specificano le prestazioni di fibre, trasmettitori, ricevitori da usare insieme nei sistemi conformi alla specifica. Alcuni standard diffusi sono:
10 gigabit Ethernet FDDI Fibre Channel Gigabit Ethernet HIPPI Plesiochronous Digital Hierarchy (PDH) Synchronous Digital Hierarchy (SDH) Synchronous Optical Networking (SONET) Wavelength Division Multiplexing (WDM)
Progettazione La progettazione di un sistema di comunicazione in fibra ottica prevede generalmente i seguenti passi: definizione del tipo di sistema ottico da realizzare per soddisfare una certa capacità trasmissiva e offrire determinati servizi (WDM, TDM, OTDM, POTN) tenendo conto delle rispettive limitazioni, costi, esigenze ecc.. scelta del tipo particolare di fibra da installare o posare in relazione ai suoi parametri fondamentali (attenuazione e dispersione) e a sua volta in funzione delle esigenze di sistema da soddisfare (es. collegamento in rete di accesso o rete di trasporto e capacità richiesta).