Comunicazioni su fibra ottica: ieri, oggi e domani

Comunicazioni su fibra ottica e capacity crunch

Il traffico globale di dati aumenta esponenzialmente ogni anno, e ci si aspetta che continui a crescere allo stesso modo nel futuro prossimo, trainato anche dalla tecnologia 5G, dalle nuove connessioni tra oggetti (internet of things), dall’incremento di video streaming e app, e dall’aumento della percentuale mondiale di popolazione che accede a internet. Per permettere questa crescita, che ha un impatto diretto anche sullo sviluppo sociale ed economico mondiale, è essenziale che la rete globale di telecomunicazione si sviluppi continuamente, in modo da soddisfare i requisiti richiesti per supportare questa crescita globale.

Il boom delle telecomunicazioni, cioè la nascita di internet, a partire dagli anni novanta è stato reso possibile anche grazie alla fibra ottica, dapprima usata nelle comunicazioni a lunga distanza e successivamente diffusa anche per le applicazioni a corto raggio. Ad oggi, la fibra ottica trasporta il 99% del traffico globale di dati. Il successo della fibra ottica è dovuto a varie motivazioni. In primis, grazie ad una frequenza della portante molto alta la banda disponibile per la trasmissione è dell’ordine dei terahertz, superando di gran lunga la quella delle comunicazioni radio o wireless. Nonostante questo, il successo della fibra ottica è dovuto anche ad altri fattori essenziali, quali la bassa attenuazione, l’immunità a campi elettromagnetici, peso e dimensioni contenuti, e altri ancora. L’utilizzo della fibra ottica per le comunicazioni è iniziato negli anni 80 e, grazie a nuove tecnologie, è riuscito a rispondere alla continua crescita del traffico globale di dati. Tra le tecnologie che hanno permesso lo sviluppo della rete di fibra ottica è importante ricordare: (i) lo sviluppo tecnologico che ha permesso una riduzione significativa dell’attenuazione delle fibre; (ii) l’invenzione degli amplificatori ottici, che hanno permesso di amplificare otticamente il segnale senza alcuna rigenerazione nel dominio elettrico; (iii) la multiplazione a divisione di lunghezze d’onda (wavelength-division multiplexing, WDM) per multiplare l’informazione usando diverse finestre frequenziali; (iv) la ricezione coerente e l’elaborazione digitale del segnali (digital signal processing, DSP) che hanno permesso l’uso di formati di modulazione con maggiore efficienza spettrale, la compensazione digitale degli effetti di propagazione, e la possibilità di modulare l’informazione non solo sull’ampiezza ma anche sulla fase del segnale, e su entrambe le polarizzazioni.

In generale, un canale di comunicazione è il mezzo che è usato per trasmettere dell’informazione da una parte, il trasmettitore, ad un’altra, il ricevitore. Ad esempio, quando parliamo, noi, che siamo il trasmettitore, mandiamo dell’informazione sotto forma di suono, il segnale, attraverso il mezzo, che è l’aria. Il canale di telecomunicazione, cioè il mezzo attraverso cui si propaga il segnale, non è trasparente ma induce degli effetti sul segnale stesso. Dunque, al ricevitore, questi effetti dovranno essere considerati e, possibilmente, annullati, per recuperare l’informazione trasmessa. Alcuni di questi effetti sono di tipo deterministico, ossia non soggetti a effetti probabilistici. L’attenuazione è un effetto di questo tipo: il segnale perde potenza con l’aumentare della distanza. Ad esempio, il suono della nostra voce è un segnale che si propaga nell’aria, e si estingue ad una certa distanza, ossia non lo sentiamo più. Oltre agli effetti deterministici, che idealmente possiamo immaginare di conoscere esattamente e poter invertire, il segnale è soggetto a rumore, ossia ad una perturbazione che è tipo stocastico, cioè caratterizzata da parametri statistici, e dunque ignota al ricevitore. Ad esempio, quando parliamo, la nostra voce si unisce inevitabilmente al rumore di sottofondo che perturba il segnale. Il nostro interlocutore, ossia il ricevitore, oltre ad udire il suono ricevuto (voce + rumore), mette in pratica delle tecniche per recuperare l’informazione trasmessa, ma potrebbe anche sbagliare. Le comunicazioni su fibra ottica funzionano in modo analogo: il trasmettitore invia delle informazioni al ricevitore sotto forma di un segnale luminoso che si propaga nella fibra ottica. Il ricevitore riceve un segnale sottoposto a effetti deterministici (tra i quali attenuazione, dispersione e nonlinearità) e rumore. In particolare, per aumentare significativamente la distanza di trasmissione, si usano degli amplificatori ottici, i quali però immettono del rumore aggiungivo. Evidentemente, il rapporto tra potenza del segnale e potenza del rumore è un parametro fondamentale per caratterizzare il sistema. Se il rumore è molto forte rispetto al segnale, ci possiamo facilmente immaginare che sia difficile recuperare l’informazione trasmessa. Dunque, risulta naturale provare ad aumentare la potenza del segnale rispetto a quella del rumore. Tuttavia, come vedremo di seguito, questo causa altri effetti.

La capacità di un canale con rumore gaussiano bianco additivo (additive white gaussian noise, AWGN), ossia la massima bit rate che può essere trasmessa in un canale lineare rumoroso (con rumore ideale di tipo AWGN) con probabilità di errore piccola a piacere, è

$C=2\times M\times B \times \text{log}_2(1+\text{SNR})\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,(1)$

dove il termine 2 rappresenta le due polarizzazioni, B è la banda del sistema, M è il numero di canali paralleli multiplati spazialmente, e SNR è il rapporto tra potenza del segnale e potenza del rumore (signal-to-noise ratio, SNR) considerando entrambe le quadrature. Anche se un canale AWGN è un canale ideale e non reale, questa formula è fondamentale per descrivere il meglio che può essere fatto in un canale di comunicazione caratterizzato dai parametri ivi indicati. Pertanto, l’equazione (1) è essenziale per descrivere l’evoluzione e i possibili sviluppi futuri delle telecomunicazioni.

I primi sistemi di comunicazione hanno modulato l’informazione sull’ampiezza del segnale che si propaga in una fibra singolo modo (single mode fiber, SMF), considerando solo il termine SNR in (1). Successivamente, grazie al DSP, alla rivelazione coerente e agli amplificatori ottici, è stato possibile mappare l’informazione anche sulla fase del segnale, eseguire multiplazione su lunghezza d’onda (WDM) e multiplazione di entrambe le polarizzazioni. In questo modo l’SNR è aumentato, e si sono anche sfrutttati i termini di polarizzazione e banda in (1).

Oggi, i ricercatori stanno cercando soluzioni innovative per rispondere alla continua crescita del traffico mondiale di dati, ed evitare la saturazione della rete, il famoso “capacity crunch”. La banda del sistema è determinata in principio dalla attenuazione della fibra ottica, e grazie agli sviluppi tecnologici, è stata gradualmente estesa. Attualmente, lo studio di sistemi a banda ultra larga (ultra-wide band systems) è molto attivo. Tuttavia, per migliorare le performance di un sistema di comunicazione due sono le strade maggiormente considerate: migliorare le prestazioni sul singolo canale spaziale, aumentando l’SNR, e/o aumentare il numero di canali paralleli nello spazio, ossia M.

Migliorare le prestazioni sul singolo canale.

Negli ultimi anni la capacità di trasporto di informazione delle fibre SMF, ossia sul singolo canale, si sta saturando, principalmente a causa della nonlinearità della fibra stessa. Infatti, quando si prova ad aumentare la potenza di lancio del segnale—in modo da aumentare l’SNR—la fibra ottica mostra effetti nonlineari: l’indice di rifrazione della fibra cambia con l’intensità del segnale che vi si propaga (effetto Kerr). Se questi effetti nonlineari non sono trattati o compensati in alcun modo, si traducono in rumore aggiuntivo e, dunque, in una diminuzione delle prestazioni del sistema di comunicazione. Dunque, numerosi ricercatori sono impegnati nello studio di sistemi per la mitigazione, compensazione o inclusione degli effetti nonlineari. La propagazione digitale indietro (digital backpropagation, DBP),—attualmente la tecnica di maggior successo per la compensazione degli effetti nonlineari—compensa gli effetti nonlineari propagando digitalmente il segnale ricevuto attraverso una fibra con parametri opposti. Purtroppo la complessità della DBP cresce con la sua accuratezza e, comunque, non può sopprimere gli effetti dovuti a canali adiacenti, che non sono conosciuti in una rete. Metre la DBP tratta la nonlinearità come una perturbazione da mitigare, recentemente numerosi ricercatori stanno investigando una tecnica pioneristica che ne tiene conto in modo esatto. Questa tecnica usa la trasformata di Fourier nonlineare (nonlinear Fourier transform, NFT) per modulare l’informazione corrispondente a utenti diversi su delle frequenze nonlineari, individuate usando la NFT, che rimangono indipendenti durante la propagazione nonlineare nel canale. Nonostante la ricerca su questa tecnica pioneristica sia attiva dal 2014 circa, le difficoltà dovute alla complessa teoria matematica considerata, al significativo costo computazionale delle corrispondenti operazioni numeriche, e alla ridefinizione di parametri e tecniche di modulazione e ricezione ottimali per il nuovo paradigma di comunicazione, hanno fatto sì che non sia ancora chiara l’effettiva utilità e praticità della tecnica stessa.

Aumentare il numero di canali nello spazio.

Molti ricercatori sono d’accordo nel considerare la multiplazione nello spazio (space-division multiplexing, SDM) il futuro delle comunicazioni su fibra ottica, poiché in questo modo si contribuirebbe con un fattore moltiplicativo alla capacità totale del canale, invece che logaritmico come si avrebbe aumentando l’SNR (vedi Eq. (1)). Anche se considerare più fibre SMF parallele è multiplazione spaziale, non è un comportamento cost-effective perché imporrebbe di moltiplicare anche tutti i dispositivi necessari al loro utilizzo (e.g., amplificatori ottici). In effetti, quando si parla di SDM ci si riferisce a multiplazione spaziale usando fibre multi-core o multi-modo—cioè fibre che per la loro struttura ammettono più canali di trasmissione (core) interni o più modi di trasmissione. La ricerca nell’ambito delle fibre multi-modo e multi-core e nell’ambito di sistemi di comunicazioni SDM che ne fanno uso sta crescendo moltissimo negli ultimi anni, ottenendo anche risultati significativi. Ne è dimostrazione la prima posa al mondo di una fibra multi-core nel Giugno 2019 a L’Aquila. Tuttavia, molte sono le principali difficoltà legate alla tecnica SDM con cui i ricercatori si stanno confrontando attualmente: l’aspetto tecnologico per lo sviluppo e la produzione di fibre multimodo e multicore, lo sviluppo di amplificatori ottici per tali fibre, e lo studio e l’ottimizzazione di DSP multiple input multiple output (MIMO) per esaminare sia gli effetti lineari che quelli nonlineari.

Riferimenti e letture di approfondimento

G. P. Agrawal, Fiber-optic communication systems (John Wiley & Sons, 2002).

J. G. Proakis and M. Salehi, Digital Communications (5th ed.) (McGraw-Hill, 2008)

D. J. Richardson, “Filling the light pipe,” Science 330, 327-328 (2010)

E. Agrell, M. Karlsson, A. Chraplyvy, D. J. Richardson, P.M. Krummrich, P. Winzer, K. Roberts, J. K. Fisher, S. J. Savory, B. J. Eggleton et al., “Roadmap of optical communications”, Journal of Optics 18, 063002 (2016)

P. J. Winzer, D. T. Neilson, and A. R. Chraplyvy, “Fiber-optic transmission and networking: the previous 20 and the next 20 years [Invited],” Optics Express 26, 24190-24239 (2018)

R.-J. Essiambre, G. Kramer, P. J. Winzer, G. J. Foschini, and B. Goebel, “Capacity limits of optical fiber networks,” Journal of Lightwave Technology 28, 662-701 (2010).

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Stella Civelli, PhD in Emerging Digital Technologies, Photonic Technologies. Assegnista di ricerca presso TeCIP Institute, Scuola Superiore Sant’Anna