La prossima generazione di fibre ottiche

A prima vista, questi nuovi materiali sono semplicemente strani: sottili come un capello, trasparenti e pieni di buchi. Come le fibre ottiche che sono il pilastro dell'industria delle telecomunicazioni, sono fatte di vetro. Ma lì le somiglianze con i materiali convenzionali si fermano bruscamente.

Il centro di ciascuna di queste nuove fibre, prodotte all'Università di Bath, in Inghilterra, è cavo. Nelle fibre ottiche esistenti, la luce viene trasmessa attraverso un nucleo di vetro. Nelle fibre prodotte a Bath, la luce viaggia senza ostacoli nell'aria. Il fascio di luce è confinato al nucleo cavo dai fori nel materiale di vetro circostante, che in sezione ha l'aspetto di un nido d'ape e crea una zona rigorosamente vietata alla luce. La capacità di confinare la luce nell'aria in questo modo, afferma Philip Russell, un fisico di Bath, potrebbe rivoluzionare completamente le telecomunicazioni.

Questa storia faceva parte del nostro numero di maggio 2001

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Il motivo dell'entusiasmo è che, almeno in linea di principio, inviare luce attraverso l'aria anziché attraverso il vetro potrebbe aumentare notevolmente l'efficienza e la capacità delle odierne reti di telecomunicazioni ad alta velocità. Questi nuovi materiali, chiamati fibre di cristalli fotonici, dovrebbero perdere meno luce e trasportare impulsi di luce più intensi senza distorsioni, riducendo la necessità di aumentare costantemente un segnale, un lavoro costoso nelle reti ottiche odierne. Le fibre a cristalli fotonici dovrebbero essere in grado di trasmettere molte più informazioni lungo le reti in fibra ottica, riducendo i costi di installazione e manutenzione. Saranno per le fibre esistenti come un'autostrada a 10 corsie sta per una strada di campagna. Non solo prenderanno più traffico, ma il viaggio sarà più agevole e ci sarà meno bisogno di fare rifornimento.

È ancora all'inizio dello sviluppo di questa nuova generazione di fibre ottiche. Anche il più avanzato dei nuovi materiali rimane a diversi anni dal diffuso uso commerciale. Ma con così tanto in gioco: le telecomunicazioni ottiche sono un business multimiliardario: diversi laboratori industriali, tra cui Corning e una manciata di startup, sono alla ricerca delle loro versioni di fibre fotoniche. Sebbene sia troppo presto per prevedere quale prevarrà, gli approcci rivali sviluppati all'Università di Bath e al MIT sono già in competizione testa a testa per diventare la fibra ottica di domani.

Questi sforzi potrebbero dare i loro frutti giusto in tempo per l'industria delle telecomunicazioni. L'enorme espansione della trasmissione di dati ottici a lunga distanza negli ultimi anni, alimentata dalla crescita di Internet e dalle sue applicazioni di consumo di larghezza di banda, ha portato i ricercatori a trovare modi per sparare segnali più luminosi e più complessi attraverso le fibre ottiche ( vedere Multiplexing a divisione di lunghezza d'onda , TR marzo/aprile 1999 ). Ma molti esperti ritengono che nei prossimi decenni diventerà impossibile ottenere ulteriori prestazioni dall'attuale generazione di fibre di vetro. Sebbene sia difficile prevedere esattamente quando verrà raggiunto il posto di blocco, Jim West, uno scienziato dei laboratori di ricerca di Corning a New York, crede decisamente che incorreremo in quei limiti. Ed è allora che la prossima generazione di fibre ottiche diventerà cruciale per alimentare l'apparentemente infinito appetito di larghezza di banda del mondo.

Conversazione leggera

Sebbene le fibre fotoniche siano una tecnologia di nuova generazione nel 2001, la storia della trasmissione di dati vocali utilizzando la luce risale a più di un secolo fa. Dopo aver inventato il telefono nel 1876, Alexander Graham Bell non si è adagiato sugli allori. Nel 1880 dimostrò che la luce, piuttosto che l'elettricità, può portare le parole di una persona a un orecchio lontano. Il fototelefono di Bell utilizzava specchi vibranti per trasmettere il suono attraverso la luce solare. Ma era un'idea molto prima del suo tempo. L'invio di segnali elettrici lungo i cavi di rame si è rivelato molto più affidabile e il fotofono è stato in gran parte dimenticato quando le linee telefoniche hanno irretito il mondo.

Dopo otto decenni di supremazia del filo di rame, l'invenzione del laser a rubino nel 1960 ha riportato la luce nell'agenda della comunicazione. C'era una fonte abbastanza luminosa da far funzionare davvero la luce. Proprio come il transistor ha inaugurato l'era della microelettronica, il laser ha dato il via all'era della fotonica. Nel 1970 Corning annunciò con orgoglio di aver inviato un raggio laser lungo una fibra di vetro e di aver recuperato fino all'uno per cento della luce all'altra estremità, a un chilometro di distanza (le fibre di vetro di oggi sono così efficienti che l'80 per cento della luce sopravviverà a quella distanza). Negli anni '80, le compagnie telefoniche iniziarono a sostituire i cavi in ​​rame con fibre ottiche.

Una fibra ottica può trasportare migliaia di volte più dati di un cavo in rame: in linea di principio, una singola fibra può trasmettere fino a 25 trilioni di bit al secondo. È una capacità sufficiente per trasportare tutte le conversazioni telefoniche che si svolgono in qualsiasi momento negli Stati Uniti, con spazio libero. Non c'è da meravigliarsi se la rete mondiale della tecnologia dell'informazione viene tessuta da vetro che trasporta luce.

In una fibra ottica convenzionale, la luce è confinata in un'asta interna di silice da un rivestimento di vetro con una composizione leggermente diversa da quella del nucleo. Tipicamente, piccole quantità di germanio o fosforo vengono aggiunte al nucleo (un processo chiamato drogaggio), conferendogli un indice di rifrazione diverso dal rivestimento. La luce che colpisce l'interfaccia tra nucleo e rivestimento viene riflessa, quindi il segnale rimbalza avanti e indietro e rimane all'interno del nucleo. Le informazioni vengono codificate in una serie di impulsi provenienti da laser controllati elettronicamente e trasmessi lungo la fibra a un fotorilevatore all'altra estremità, che converte il segnale in forma elettrica per l'elaborazione in un telefono, computer o dispositivo di routing.

Sembra fantastico. Allora, dov'è il trucco? È una questione di limiti. Man mano che le reti di comunicazione diventano più grandi, più impegnate e più ambiziose, gli svantaggi delle fibre di vetro convenzionali stanno diventando evidenti e le reti in fibra ottica esistenti alla fine non saranno in grado di farcela. Un fattore che limita le prestazioni è la dissolvenza del segnale luminoso sulla distanza. Una certa quantità di luce viene dispersa - le impurità nella silice interrompono la trasmissione di parte del segnale - mentre viaggia attraverso il nucleo di vetro; l'altra luce semplicemente sfugge del tutto dalla fibra, perché l'interfaccia tra il nucleo di vetro e il rivestimento non è uno specchio perfetto.

Senza rimedio, queste perdite paralizzerebbero le comunicazioni in fibra ottica a lunga distanza: l'ottanta per cento di una trasmissione su un chilometro lascerebbe meno di un fantasma di un segnale all'estremità di un cavo transatlantico. La risposta è amplificare la luce ogni 70 chilometri circa. Ma gli amplificatori sono costosi e richiedono le proprie fonti di alimentazione ( vedere 5 brevetti da tenere d'occhio: Booster Shots ). Ogni amplificatore in genere aggiunge un milione di dollari al prezzo di una linea di trasmissione a lunga distanza. Per un cavo lungo migliaia di chilometri, la somma inizia a diventare denaro reale. E quando un amplificatore si guasta nel mezzo dell'Atlantico, non c'è altra scelta che inviare una nave per dragare il cavo. Costa una fortuna sistemarli in fondo all'oceano, dice Russell di Bath.

Questa scoraggiante realtà economica è lo stimolo per lo sviluppo della nuova generazione di fibre. OmniGuide Communications, con sede a Cambridge, MA, fondata lo scorso anno da diversi professori del MIT, afferma che le sue nuove fibre saranno in grado di ridurre le perdite a un livello così basso che non sarebbe necessaria alcuna amplificazione. Inoltre, afferma la società, la larghezza di banda utilizzabile sarà sostanzialmente maggiore rispetto alle fibre ottiche esistenti. Il trucco è rimuovere il nucleo di vetro della fibra e sostituirlo con... beh, niente di niente.

Aria pura

Sembra così ovvio. La luce viaggia nell'aria con poca dispersione. Allora perché non inviare semplicemente la luce laser in un tubo di vetro cavo? La risposta sta nella fisica. Per ottenere la riflessione interna necessaria per mantenere la luce confinata al centro di una fibra ottica convenzionale, il rivestimento deve avere un indice di rifrazione inferiore rispetto al mezzo interno. Ma tutti i materiali conosciuti hanno un indice di rifrazione più alto dell'aria. Quindi la disposizione convenzionale non funziona nella realizzazione di una fibra cava.

Il che significa che è necessario un approccio non convenzionale. Entra nelle fibre di cristalli fotonici. I ricercatori di tutto il mondo sono impegnati nella realizzazione di materiali che agiscono come isolanti luminosi, invalicabili alla luce proprio come la maggior parte delle materie plastiche è invalicabile alle correnti elettriche. Nel gergo della fisica, questi isolanti luminosi hanno una banda proibita fotonica corrispondente a specifiche lunghezze d'onda della luce; quelle lunghezze d'onda semplicemente non possono entrare nel materiale. Se realizzati correttamente, questi materiali, a differenza del rivestimento in fibre di vetro, non dovrebbero consentire praticamente alla luce di fuoriuscire da un'anima vuota avvolta in essi.

Naturalmente, molte sostanze impediranno il passaggio della luce; ma questo è generalmente dovuto al fatto che i materiali assorbono semplicemente la luce anziché rifletterla. E mentre potresti pensare agli specchi metallici - vetro argentato - come buoni riflettori di luce, la verità è che non sono abbastanza riflettenti da funzionare con le fibre ottiche; assorbono e dissipano una parte piccola ma significativa di un raggio in arrivo. Un segnale luminoso che viaggiava lungo un tubo di vetro rivestito d'argento percorreva solo una breve distanza prima di disperdersi completamente. I materiali a banda proibita fotonica, invece, bloccano tutti i fotoni di particolari lunghezze d'onda; la luce in arrivo viene riflessa quasi perfettamente. In altre parole, sono l'ideale per confinare la luce all'interno di un tubo cavo.

Nel 1998, Yoel Fink, allora studente laureato al MIT, ha fabbricato uno specchio perfetto con un materiale fotonico-band-gap. Altri avevano precedentemente realizzato specchi specializzati da strati sottili di materiali dielettrici (materiali che contengono particelle caricate elettricamente ma hanno proprietà isolanti). Questi specchi hanno band gap fotonici e possono essere riflettori estremamente efficienti, ma hanno un grosso difetto: funzionano solo con la luce che colpisce assolutamente frontalmente, limitando il loro uso ad applicazioni specializzate. Fink ha scoperto come realizzare una versione di uno specchio dielettrico che riflette la luce proveniente da tutti gli angoli, come dovrebbe fare il materiale nel nucleo di un filo di fibra ottica.

Una volta che hai uno specchio del genere, vedere il potenziale commerciale è (almeno per i ricercatori di fotonica) ovvio. Fink e una coppia dei suoi professori del MIT, il fisico John Joannopoulos e lo scienziato dei materiali Edwin Thomas, insieme a Uri Kolodny, hanno cofondato OmniGuide. L'obiettivo dell'azienda è utilizzare lo specchio perfetto come rivestimento per una fibra ottica. Immagina di prendere uno specchio piatto e di piegarlo intorno all'interno di un tubo e di avere un'immagine grezza di una fibra OmniGuide.

Quindi, quanto sono piccole le perdite di luce in una fibra di nuova generazione? Poiché l'azienda è ancora nelle sue fasi iniziali, i fondatori tengono queste informazioni a portata di mano. Tutto ciò che sono libero di dire in questa fase, afferma Joannopoulos, è che con una OmniGuide [fibra] a tubo cavo potremmo in linea di principio ottenere perdite inferiori rispetto alla fibra ottica. Ma per un'industria delle telecomunicazioni che cerca di spingere sempre più luce attraverso le reti ottiche, e alla fine deve affrontare i limiti delle fibre di ultima generazione, anche dichiarazioni così formulate con cura sono allettanti.

L'azienda sta sviluppando una serie di prodotti in fibra basati sul concetto OmniGuide. Queste fibre sono, in teoria, molto più efficienti nella trasmissione della luce rispetto a una fibra ottica standard. Dovrebbero infatti essere in grado di superare gli attuali limiti delle fibre di vetro, ottenendo, tra le altre cose, una minore perdita di segnale mentre la luce viaggia lungo la fibra. Prestazioni così elevate sono possibili, afferma Fink, ora assistente professore di scienza dei materiali al MIT, perché possiamo raggiungere un grado di confinamento senza rivali.

Le fibre OmniGuide dovrebbero essere in grado di trasmettere segnali molto più intensi rispetto alle normali fibre ottiche. La luce ad alta intensità che viaggia nelle fibre di vetro soffre di distorsioni che possono interrompere la trasmissione di segnali a diverse lunghezze d'onda, causando interferenze tra i canali a meno che non siano ampiamente separati in frequenza. Questo effetto limita il numero di diverse lunghezze d'onda che puoi inserire in una fibra di vetro convenzionale e anche quanto possono essere luminose. Poiché i segnali nell'aria non subiscono questi effetti, spiega Fink, la fibra OmniGuide può trasmettere segnali a potenze più elevate, con canali distanziati più vicini tra loro. Questa è un'ottima notizia per le aziende di telecomunicazioni, poiché i segnali più forti viaggiano più lontano prima che le perdite inizino a comprometterli e canali più vicini significano che più dati possono essere impacchettati all'interno di un determinato intervallo di lunghezze d'onda.

L'approccio del MIT, tuttavia, è solo un modo per creare una fibra fotonica. Altri ricercatori hanno prodotto materiali a banda proibita fotonica che, in sezione trasversale, sono come un nido d'ape in cui i fori formano strutture che rifiutano l'ingresso alla luce di determinate lunghezze d'onda. Questi tipi di cristalli fotonici, prodotti per la prima volta alla fine degli anni '80, bloccano quasi totalmente la luce. Le fibre di vetro prodotte a Bath, ad esempio, sono attraversate da un ordine ordinato di fori che corrono paralleli al filo per tutta la sua lunghezza; al centro c'è un nucleo vuoto in cui la luce può essere confinata quasi perfettamente. Per dare qualche indicazione sulla precisione richiesta nella realizzazione delle fibre, se i lunghi fori paralleli avessero il diametro del canale che collega l'Inghilterra e la Francia, le fibre sperimentali realizzate a Bath raggiungerebbero Giove. Come si possono perforare tunnel così perfetti attraverso una ciocca di vetro più sottile di un capello umano?

Fortunatamente, i fori non devono essere praticati affatto. Sono ingegnosamente costruiti estraendo le fibre di vetro da un fascio di tubi capillari cavi. I tubi vengono imballati insieme in una disposizione esagonale di pochi centimetri di larghezza e il fascio viene riscaldato per ammorbidire il vetro. Quando l'array viene estratto in una fibra fine, la sua sezione trasversale viene ridotta di un fattore di un migliaio circa, ma rimane forata.

Inizialmente, i fisici di Bath realizzarono un canale conduttore di luce al centro della fibra sostituendo un'asta di vetro solida per il capillare di vetro centrale. Ma ancora meglio che trasportare la luce in un nucleo solido sarebbe inviarla attraverso un nucleo cavo attraverso l'aria, con le perdite molto basse e l'assenza di distorsione che ciò comporta. In collaborazione con Douglas Allan, un ricercatore di Corning, il team di Bath è riuscito a ottenere il confinamento della luce in una fibra di cristallo fotonico a nucleo cavo nel 1999. Recentemente hanno formato fibre ottiche lunghe molti metri con i loro nuovi materiali.

Finitura fotonica

Assumere fibre ottiche esistenti sarà un compito arduo. Le fibre di vetro convenzionali sono state ottimizzate nel corso di diversi decenni e sono realizzate utilizzando una tecnologia ben radicata. Al contrario, le nuove fibre fotoniche rappresentano una produzione sconosciuta. Per prima cosa, la loro struttura deve essere esatta. I sistemi [di fabbricazione] esistenti semplicemente non sono all'altezza, ammette Russell.

Tuttavia, le aziende si stanno mettendo in fila per affrontare le sfide della commercializzazione. Fink afferma che OmniGuide sta lavorando a una serie di prodotti basati su fibre di diversa lunghezza. I progetti includono lo sviluppo di dispositivi basati su fibra attiva per la commutazione ottica, nonché lo sviluppo di fibre per la trasmissione della luce da 10 a 100 metri, che potrebbero essere utili per attività come la connessione di server su brevi distanze. Le fibre a lungo raggio per le reti di telecomunicazioni avranno l'impatto maggiore, afferma Fink, ma richiederanno un po' di tempo.

I ricercatori del gruppo Bath hanno lanciato il proprio spin-off, BlazePhotonics, e hanno ottenuto finanziamenti da società di capitali di rischio nel Regno Unito e negli Stati Uniti. In Danimarca un'azienda chiamata Crystal Fibre, fondata da scienziati dell'Università tecnica della Danimarca a Lyngby che erano stati i primi collaboratori del gruppo Bath, sta producendo fibre fotoniche con un nucleo di vetro solido. Mentre i suoi prodotti iniziali potrebbero servire a scopi come confinare la luce in laser ad alta precisione, nessuno sta perdendo di vista il grande premio. Le telecomunicazioni sono sicuramente l'obiettivo a medio termine, afferma il CEO Michael Kjaer.

Come i fondatori della Crystal Fibre danese, gli scienziati di Corning hanno lavorato a stretto contatto con i ricercatori di Bath in passato, ma ora stanno correndo da soli sul mercato. Jim West riferisce che ora l'azienda può produrre fibre fotoniche lunghe fino a cento metri. Ma si riserva di giudicare se i nuovi materiali alla fine trasformeranno l'autostrada dell'informazione. Le fibre ottiche convenzionali, sottolinea, sono un atto difficile da superare. È solo quando inizi a lavorare con le versioni all'avanguardia che ti rendi conto di quanto siano straordinarie.

Sebbene l'invio di luce attraverso l'aria possa risolvere molti dei limiti delle fibre odierne, pone i propri problemi. Per prima cosa, la composizione dell'aria non è uniforme; di conseguenza, la luce può essere trasmessa in modo diverso nelle diverse parti del mondo. L'aria nel Regno Unito è molto diversa dall'aria nel Sahara, spiega West.

È una tecnologia affascinante, afferma West della nuova generazione di fibre di cristalli fotonici, ma c'è una lunga strada da percorrere.

Tuttavia, se questi nuovi materiali alla fine realizzano il loro potenziale di trasformare la trasmissione a lunga distanza nel settore delle telecomunicazioni, sarà un viaggio che vale la pena intraprendere.

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