Switch Ottico Ultrarapido per Fibre Multicore: La Rivoluzione della Velocità è Qui!
Ciao a tutti! Oggi voglio parlarvi di qualcosa che mi sta davvero appassionando nel mondo delle telecomunicazioni ottiche. Sapete, siamo tutti affamati di dati: streaming, cloud, smart working, gaming online… la richiesta di banda sembra non avere fine! Le nostre care vecchie fibre ottiche a singolo modo (quelle che formano la spina dorsale di Internet, per intenderci) stanno iniziando a mostrare la corda, avvicinandosi a un limite di capacità che gli addetti ai lavori chiamano “capacity crunch”. Che fare?
La Soluzione? Più Spazio nella Fibra!
Una delle idee più promettenti per superare questo limite è la multiplazione a divisione di spazio (SDM – Space Division Multiplexing). Immaginate di non avere più una sola “corsia” per la luce dentro la fibra, ma tante corsie parallele nello stesso cavo. È qui che entrano in gioco le fibre multicore (MCF – Multicore Fibers): fibre speciali che contengono più “core” (nuclei) indipendenti all’interno dello stesso rivestimento. Ogni core è come una fibra a sé, capace di trasportare dati, magari anche usando la multiplazione a lunghezza d’onda (WDM) che già conosciamo. Pensate che con queste fibre si sono già raggiunti record pazzeschi, trasmettendo Petabit al secondo (milioni di Gigabit!) su distanze considerevoli!
Ma c’è un “ma”. Per costruire reti ottiche di nuova generazione basate su queste super-fibre, non basta la fibra stessa. Servono componenti completamente nuovi, compatibili con questa architettura multicore: amplificatori, multiplexer e, soprattutto, switch ottici. Gli switch sono fondamentali per instradare i segnali, per dirigere il traffico dati da un punto all’altro della rete, scegliendo magari su quale “core” far viaggiare una specifica informazione.
Il Problema della Velocità negli Switch Attuali
Finora, le soluzioni proposte per “switchare” (passatemi il termine!) tra i core di una fibra MCF non erano esattamente fulminee. Si basavano spesso su sistemi micro-elettromeccanici (MEMS), reticoli a lungo periodo (LPG) piegando la fibra, o sistemi di “beam steering” con lenti. Tutte tecnologie valide, certo, ma con tempi di commutazione nell’ordine dei millisecondi. Millisecondi? In un mondo che viaggia a velocità supersoniche, come quello dei data center o delle applicazioni “datacom”, serve qualcosa di molto, molto più rapido. Parliamo di microsecondi, se non meno!
La Nostra Soluzione: Uno Switch Tutto-Fibra e Super Veloce!
Ed è qui che entra in gioco il nostro lavoro, qualcosa di cui vado particolarmente fiero! Abbiamo sviluppato un’architettura completamente basata su fibra ottica (all-fiber) per uno switch core-selettivo ad alta velocità. Niente parti meccaniche in movimento lento, niente sistemi complessi con lenti. La nostra idea si basa su un principio fisico affascinante: l’interferenza multicore.
Come Funziona la Magia (dell’Interferenza)?
Senza scendere in dettagli troppo tecnici (che trovate nel paper originale, ovviamente!), immaginate questo:
- Il segnale luminoso che entra in un core della fibra MCF viene prima diviso equamente tra i vari core usando uno speciale “divisore di fascio” per fibre multicore (MCF-BS).
- Poi, separiamo la luce di ogni core in fibre singole standard (SMF).
- Su (quasi) ognuno di questi percorsi singoli, inseriamo un modulatore di fase elettro-ottico (PM) super veloce, basato su Niobato di Litio. Questi aggeggi possono cambiare la “fase” dell’onda luminosa (una sua proprietà fondamentale) in risposta a un segnale elettrico, e lo fanno a velocità pazzesche, nell’ordine dei GigaHertz!
- Infine, ricombiniamo tutti i segnali luminosi, ora sfasati ad arte, usando un secondo MCF-BS.
Il trucco sta proprio qui: quando le onde luminose si ricombinano, interferiscono tra loro. A seconda delle fasi relative che abbiamo imposto con i modulatori, la luce si “concentrerà” prevalentemente su un core d’uscita specifico, mentre negli altri l’interferenza sarà distruttiva (la luce si cancella). Cambiando al volo le tensioni applicate ai modulatori (grazie a un sistema di controllo digitale basato su FPGA), possiamo decidere in quale core d’uscita dirigere tutta la luce, e quindi il segnale dati!
Perché funzioni bene, dobbiamo assicurarci che i percorsi ottici siano lunghi uguali (altrimenti l’interferenza non è perfetta) e che la polarizzazione della luce sia controllata. Abbiamo usato delle linee di ritardo in fibra e dei controllori di polarizzazione manuali per questo, ma in futuro si potrebbero usare fibre a mantenimento di polarizzazione per rendere tutto più stabile e compatto.
I Risultati? Da Capogiro!
E veniamo ai numeri, quelli che fanno davvero brillare gli occhi. Il nostro switch è in grado di cambiare il core d’uscita in appena 0.7 microsecondi (μs)! Avete letto bene: microsecondi. Si tratta di una velocità tre ordini di grandezza (mille volte!) più rapida rispetto agli switch MEMS attuali usati in contesti simili. Questo apre le porte ad applicazioni come il “burst switching”, dove i pacchetti di dati vengono instradati al volo.
Ma la velocità non è tutto. Le prestazioni sono ottime anche su altri fronti:
- Diafonia inter-core (IC-XT): In media sotto i -18 dB (con picchi fino a -22 dB). Significa che pochissima luce “invade” i core sbagliati, mantenendo i segnali puliti.
- Perdita di inserzione: Circa 7.7 dB. Certo, i modulatori e i componenti introducono delle perdite, ma è un valore ragionevole per un dispositivo all-fiber di questo tipo, comparabile ad altre soluzioni simili e compensabile con amplificazione.
- Rapporto di estinzione: Circa 19.8 dB, indica una buona capacità di “spegnere” il segnale nei core non selezionati.
Abbiamo anche verificato che lo switch funziona bene con segnali WDM (più lunghezze d’onda contemporaneamente) in una certa finestra (tra 1540 e 1560 nm la visibilità dell’interferenza era ottima, sopra 0.99).
La Prova del Nove: Sul Campo!
Ok, i test in laboratorio sono belli, ma la vera sfida è il mondo reale. E noi l’abbiamo affrontata! Abbiamo preso il nostro prototipo (racchiuso in un rack standard da 19 pollici, pronto per le infrastrutture di telecomunicazione) e l’abbiamo collegato a una rete sperimentale in fibra multicore installata realmente sul campo, nel campus dell’Università di Concepción in Cile. Questa rete collega diversi edifici, con tratte lunghe fino a oltre 1.3 km.
Abbiamo usato lo switch per instradare segnali ottici reali (da 1 Gbps fino a ben 600 Gbps, generati con transceiver commerciali standard!) su diversi percorsi di questa rete. Abbiamo testato segnali SFP+ a 1 e 10 Gbps, ottenendo trasmissioni con tassi di errore bassissimi (BER di 10⁻⁹ a 1 Gbps con una penalità minima) e abbiamo anche fatto passare segnali coerenti a 100, 200 e 600 Gbps (usando modulazioni complesse come DP-QPSK, DP-16QAM e DP-64QAM). Anche se la visibilità dell’interferenza cala un po’ con symbol rate molto alti (come i 75 GBaud del 600 Gbps) a causa delle piccole differenze di lunghezza dei percorsi interni, abbiamo dimostrato la compatibilità con segnali ad altissima capacità.
Il momento clou? Vedere lo switch commutare il segnale tra due diversi percorsi della rete installata sul campo, in tempo reale, mantenendo ottime prestazioni di diafonia (-18 dB e -22 dB sui due link testati) e senza errori di trasmissione rilevati! Per quanto ne so, è la prima volta che uno switch ottico per fibre multicore così veloce viene dimostrato funzionare in condizioni operative reali.
Cosa Significa per il Futuro?
Questo switch rappresenta, a mio avviso, un passo avanti davvero significativo. Dimostra che è possibile realizzare componenti chiave per le future reti ottiche SDM con prestazioni (soprattutto in termini di velocità) che superano di gran lunga lo stato dell’arte commerciale. La sua architettura all-fiber lo rende potenzialmente integrabile e robusto.
Certo, ci sono ancora sfide da affrontare. L’attuale implementazione funziona con segnali a singola polarizzazione (a causa dei polarizzatori interni ai modulatori). Stiamo già pensando a come adattare l’architettura per gestire anche segnali a doppia polarizzazione (come quelli usati nelle trasmissioni coerenti ad alta capacità), magari usando un approccio a doppio interferometro parallelo o modulatori senza polarizzatori integrati. Anche migliorare la stabilità della polarizzazione e ridurre ulteriormente le perdite sono obiettivi futuri.
Ma la strada è tracciata. Avere switch così veloci e selettivi per le fibre multicore è cruciale per rendere queste tecnologie davvero utilizzabili su larga scala, abilitando reti di comunicazione con capacità enormemente superiori a quelle attuali. È un tassello fondamentale per costruire l’Internet del futuro, capace di sostenere la nostra crescente fame di dati. Ed è emozionante essere parte di questa avventura!
Fonte: Springer
