Fibra Ottica da Record: Raggiunto il Vertice della Trasmissione Dati ad Alta Capacità

Ciao a tutti! Oggi voglio parlarvi di qualcosa che mi appassiona da morire: spingere i limiti della tecnologia per far viaggiare i dati sempre più velocemente. Viviamo in un’era digitale dove la fame di banda sembra insaziabile. Video in streaming, cloud computing, intelligenza artificiale… tutto contribuisce a una crescita esponenziale del traffico dati sulle nostre reti ottiche. Ma c’è un problema: le attuali fibre ottiche standard, quelle a modalità singola (SMF), stanno iniziando a mostrare la corda, avvicinandosi ai loro limiti fisici di capacità.

La Sfida: Superare i Limiti Attuali

Per decenni, abbiamo potenziato le reti sfruttando dimensioni come la polarizzazione e la lunghezza d’onda (wavelength multiplexing). Ma per sostenere la crescita futura, serve un salto di qualità. Qui entra in gioco una tecnologia che trovo affascinante: il multiplexing a divisione di spazio (SDM). L’idea di base? Sfruttare la dimensione fisica dello spazio *all’interno* della fibra per creare più “corsie” parallele per i dati. Immaginate un’autostrada a più corsie invece di una strada a corsia unica. Questo non solo aumenta la capacità per fibra di ordini di grandezza, ma promette anche di ridurre i costi per bit e il consumo energetico, aspetti cruciali per la sostenibilità commerciale.

Per realizzare sistemi SDM, però, servono fibre ottiche completamente nuove. Abbiamo esplorato diverse strade:

• Fibre Multi-Core (MCF): Contengono più nuclei (core) all’interno di un unico rivestimento (cladding). Possono essere a nuclei debolmente accoppiati (ogni core è quasi indipendente) o fortemente accoppiati (la luce “salta” tra i core).
• Fibre Multi-Modo (MMF): Hanno un unico core più grande che guida più modi spaziali della luce.

Le MCF a nuclei accoppiati casualmente (randomly-coupled) sono particolarmente interessanti perché offrono un’alta densità spaziale con minori problemi di trasmissione rispetto alle MCF debolmente accoppiate e alle MMF.

Il Vincolo Cruciale: Il Diametro Standard

Un aspetto fondamentale, forse meno appariscente ma importantissimo per l’industria, è mantenere il diametro standard del rivestimento (cladding) a 125µm. Perché? Tutta l’infrastruttura esistente, dagli strumenti di produzione e giunzione ai connettori, è costruita attorno a questo standard. Cambiarlo comporterebbe costi enormi e problemi di compatibilità e affidabilità. Molte fibre sperimentali ad altissima capacità hanno richiesto diametri maggiori, rendendole più fragili e difficili da gestire. Noi, invece, ci siamo posti l’obiettivo ambizioso: massima capacità, ma restando nei 125µm.

La Nostra Creazione: Una Fibra a 19 Core Accoppiati

Ed è qui che arriva il bello! Abbiamo progettato, fabbricato e testato una fibra MCF a 19 core, il massimo numero di nuclei che siamo riusciti a stipare mantenendo il diametro standard di 125µm e garantendo buone prestazioni. La chiave è stata progettarla per avere un accoppiamento casuale forte ma controllato tra i core. Questo permette un’alta densità di “corsie” per i dati.

Abbiamo realizzato una bobina di ben 63.5 km di questa fibra speciale. Ogni core è progettato per confinare bene la luce (area effettiva di 62µm²) e la fibra supporta un’ampia gamma di lunghezze d’onda (potenzialmente dalle bande S, C fino alla L, da 1460nm a 1625nm). Attraverso simulazioni e poi misure sulla fibra reale, abbiamo ottimizzato la distanza tra i core (il “core pitch”, fissato a 18µm) per minimizzare la dispersione modale spaziale (SMD), un parametro che misura quanto i segnali si “sparpagliano” nel tempo viaggiando nei diversi percorsi spaziali. Un SMD basso è cruciale per ridurre la complessità del ricevitore. La nostra fibra ha mostrato un coefficiente SMD di soli 4.9 ps/√km quando non avvolta strettamente (simulando una posa più realistica), un valore eccellente, paragonabile a fibre con molti meno core! Le misure hanno confermato che la luce si distribuisce rapidamente e uniformemente tra tutti i 19 core, proprio come volevamo.

La Magia dei Multiplexer 3D

Avere 19 core è fantastico, ma come ci si fa a “parlare”? Come si iniettano e si estraggono i segnali da ciascun core individualmente? Qui entra in gioco un’altra piccola meraviglia tecnologica: dei multiplexer/demultiplexer customizzati realizzati con fotonica integrata 3D. Usando impulsi laser a femtosecondi, abbiamo “scolpito” delle guide d’onda tridimensionali all’interno di un piccolo chip di vetro. Da un lato, le guide d’onda sono allineate linearmente per accoppiarsi a un array di fibre standard; dall’altro, sono disposte esattamente come i core della nostra MCF. Un lavoro di precisione incredibile, con allineamenti assistiti da machine vision, per garantire perdite di inserzione bassissime (meno di 0.8 dB in media per core, connettori inclusi!).

L’Esperimento: Scatenare la Potenza

Con la fibra e i multiplexer pronti, abbiamo allestito un complesso banco di prova in laboratorio. Abbiamo generato 381 canali WDM (a diverse lunghezze d’onda) su un ampio spettro (bande C e L). Ogni canale trasportava segnali 64QAM a doppia polarizzazione (modulazioni complesse per alta efficienza). Abbiamo poi sdoppiato e ritardato questi segnali per creare 19 copie “decorrelate”, una per ciascun core della nostra fibra. Dopo aver attraversato i 63.5 km di MCF, i segnali sono stati separati nuovamente dal demultiplexer e inviati a un ricevitore coerente MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) 38×38 (19 core x 2 polarizzazioni).

Il compito del ricevitore MIMO è fondamentale: poiché i segnali si sono mescolati viaggiando tra i core, il MIMO deve “districare” tutto, ricostruendo i segnali originali. La buona notizia è che, grazie al basso SMD della nostra fibra, l’elaborazione richiesta al MIMO è stata relativamente contenuta. L’impulso di risposta misurato aveva una deviazione standard di soli 44 ps, che corrisponde a pochissimi “tap” (coefficienti) nell’equalizzatore digitale a 24.5 GBaud.

Il Risultato: Un Record Strabiliante!

E ora, il momento clou. Sommando la velocità di tutti i canali su tutti i core, abbiamo raggiunto una velocità dati netta (cioè utilizzabile, dopo la correzione degli errori) di… tenetevi forte… 1.7 Petabit al secondo (Pbit/s)! Per darvi un’idea, 1 Petabit equivale a un milione di Gigabit. È la velocità più alta mai riportata per qualsiasi fibra multi-core con diametro standard di 125µm, ed è più di dieci volte superiore a quella supportata dai sistemi SMF attualmente operativi.

Abbiamo analizzato le prestazioni su tutta la banda C+L, osservando velocità per canale intorno ai 5 Terabit/s in banda C e leggermente inferiori in banda L (principalmente a causa delle prestazioni degli amplificatori ottici in quella regione). La cosa notevole è l’uniformità delle prestazioni su quasi 80 nm di spettro, confermando la qualità della fibra.

Cosa Significa Tutto Questo?

Questo risultato è entusiasmante! Dimostra il potenziale enorme delle fibre MCF a nuclei accoppiati casualmente per le reti ottiche di prossima generazione. Siamo riusciti a combinare un’altissima densità spaziale (19 core!) con eccellenti prestazioni di trasmissione e, cosa fondamentale, mantenendo la compatibilità con il diametro standard di 125µm. Questo apre le porte ad applicazioni come interconnessioni ad altissima capacità per data center o, con i recenti progressi negli amplificatori multi-core, persino per collegamenti sottomarini a lunga distanza.

Certo, ci sono altre tecnologie promettenti, come le MMF che hanno raggiunto velocità totali anche superiori, ma spesso su distanze più brevi e con una complessità di elaborazione del segnale molto maggiore a causa della maggiore dispersione temporale. Il nostro approccio con la MCF a 19 core offre un compromesso fantastico tra densità, qualità del segnale e complessità del sistema.

Il futuro della comunicazione ottica si preannuncia incredibilmente veloce, e sono felice di aver contribuito a spingere un po’ più in là l’asticella!

Fonte: Springer