Multiplexing a divisione di lunghezza d'onda

La larghezza di banda nelle comunicazioni è come lo spazio nell'armadio in casa: non ne hai mai abbastanza. E il traffico Internet sta facendo crescere la domanda di capacità di comunicazione più velocemente del guardaroba di un adolescente con una carta di credito illimitata. I megabyte di grafica animata che occupano larghezza di banda stanno sostituendo i messaggi di posta elettronica compatti. I segnali dati, video e voce affollano i sistemi di trasmissione che fino a pochi anni fa avevano ampi spazi. L'industria delle comunicazioni ha bisogno di spazio per respirare.

Questo è esattamente ciò che una nuova generazione di tecnologia in fibra ottica sta portando a reti come il Project Oxygen, giustamente chiamato. Neil Tagare, fondatore del gruppo CTR a Woodcliff Lake, N.J., ha scelto questo nome per la rete globale perché considerava l'enorme larghezza di banda offerta dalla nuova tecnologia vitale per le telecomunicazioni quanto l'ossigeno lo è per la vita stessa. Inviando segnali a 16 diverse lunghezze d'onda attraverso ciascuna delle quattro coppie di fibre ottiche, Project Oxygen trasporterà 640 gigabit al secondo (Gbit/s) attraverso interi oceani. È l'equivalente di 10 milioni di conversazioni telefoniche simultanee, sufficienti per ogni persona in Ungheria o Belgio per chiamare gli Stati Uniti contemporaneamente.

Questa storia faceva parte del nostro numero di marzo 1999

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La tecnologia che rende possibile questa nuova larghezza di banda si chiama multiplexing a divisione di lunghezza d'onda, o WDM, e rappresenta la seconda grande rivoluzione della fibra ottica nelle telecomunicazioni. La prima è arrivata negli anni '80, quando le compagnie telefoniche hanno collegato gli Stati Uniti e altri paesi con le fibre per creare una spina dorsale globale di condutture di informazioni in grado di trasportare molti più dati rispetto ai cavi di rame e ai collegamenti a microonde che hanno sostituito. Il WDM fa un passo da gigante con questo vantaggio, moltiplicando la capacità potenziale di ciascuna fibra, riempiendola con non solo una ma molte lunghezze d'onda di luce, ciascuna in grado di trasportare un segnale separato.

Il multiplexing a divisione di lunghezza d'onda è emerso in modo abbastanza conveniente, poiché i vecchi cavi in ​​fibra si stavano riempiendo, afferma Richard Mack, vicepresidente di KMI Corp., una società di analisi di mercato con sede a Newport, R.I. specializzata in fibre ottiche. Sfruttando il WDM, i vettori a lunga distanza come AT&T e MCI sono stati in grado di evitare la posa di nuovi cavi costosi; invece, pompano semplicemente lunghezze d'onda aggiuntive attraverso le fibre esistenti.

La rivoluzione del WDM è arrivata con una rapidità imprevista. Un decennio fa, sottolinea Mack, la gente diceva che c'era un eccesso di capacità di fibre. Per lasciare spazio all'espansione, le compagnie telefoniche avevano posato cavi contenenti da 24 a 36 fibre, molte delle quali tenute di riserva come fibre scure. Ogni fibra trasportava centinaia di megabit al secondo a una singola lunghezza d'onda. Da allora, i vettori hanno aumentato la velocità dei dati a 2,5 Gbit/se acceso la maggior parte delle fibre scure. Ma l'enorme aumento del traffico ha affollato questi cavi che un tempo sembravano così voluminosi. Gli armadi, a quanto pare, vengono rapidamente stipati fino alle travi e la roba si sta rovesciando sul pavimento. L'uso del telefono rappresenta un certo aumento, compresa la diffusione di fax e telefoni cellulari. Ma la crescita più drammatica è stata quella del traffico Internet, che all'incirca raddoppia ogni anno.

Ciò che è anche chiaro è che non c'è fine in vista per l'impennata della domanda, soprattutto se, come credono molti esperti, la videocomunicazione bidirezionale diventa più comune. Il settore delle comunicazioni sta attraversando una transizione che in pochi anni ci porterà il video digitale per il nostro uso quotidiano a casa e al lavoro, afferma Shahab Etemad, che dirige lo sviluppo delle trasmissioni WDM presso Bell Communications Research, o Bellcore, di Morristown, New Jersey. (Inizialmente il braccio di ricerca delle compagnie telefoniche locali e regionali, Bellcore ora opera come società di consulenza per la gestione della rete con una varietà di clienti aziendali.) Etemad prevede che il passaggio dalla telefonia vocale ai dati digitali carichi di video richieda di moltiplicare la capacità di trasmissione della dorsale di circa un fattore di 200 e, insiste, WDM deve svolgere il ruolo di primo piano nel soddisfare tale domanda ampliata.

Grazie ai progressi nei metodi WDM, la fibra ha svolto un buon lavoro nel tenere il passo con questa esplosione della domanda. Secondo David Clark, ricercatore senior presso il Laboratory for Computer Science del MIT, la capacità di ottenere bit in una fibra sta crescendo più velocemente della legge di Moore, che prevede il raddoppio della potenza di calcolo ogni 18 mesi. Al momento, osserva Clark, la capacità di carico della fibra raddoppia ogni 12 mesi.

Farlo con Erbio

Il termine multiplexing a divisione di lunghezza d'onda puzza di gergo tecnico, ma il concetto è semplice: inviare simultaneamente segnali separati attraverso la stessa fibra a diverse lunghezze d'onda. In sostanza, la stessa idea costituisce il fondamento della trasmissione radiofonica e televisiva, in cui ogni stazione invia il proprio segnale su una lunghezza d'onda assegnata nello spettro delle radiofrequenze. Naturalmente, la maggior parte delle persone pensa invece in termini di frequenza, ma i due valori sono indissolubilmente legati dalla loro relazione con la velocità della luce. (Ad esempio, 100 megahertz sul quadrante FM corrispondono a una lunghezza d'onda di circa 3 metri.)

Gli stessi principi funzionano per la luce che passa attraverso una fibra ottica come per le onde radio trasmesse attraverso l'aria. Le fibre ottiche trasmettono meglio alle lunghezze d'onda della luce invisibile e vicina all'infrarosso comprese tra 1,3 e 1,6 micrometri, circa il doppio della lunghezza d'onda della luce rossa.

Se WDM è sia semplice che un'idea che è stata in giro, perché solo di recente è diventata pratica? L'ostacolo più grande è stata la mancanza di amplificatori adeguati. I segnali luminosi che viaggiano anche attraverso le fibre ottiche più trasparenti svaniscono a livelli non rilevabili dopo un paio di centinaia di chilometri. Per la maggior parte del tempo sono state utilizzate fibre ottiche, l'unico modo per estendere le fibre più lunghe era rigenerare il segnale attraverso un processo optoelettronico: un fotorilevatore converte il flusso di impulsi di luce indeboliti in un segnale di tensione che potrebbe essere amplificato elettronicamente ; questo segnale potenziato modulava un trasmettitore laser.

Il problema è che i rilevatori di luce non discriminano tra le lunghezze d'onda: rimescolano i segnali a colori diversi, proprio come le tue orecchie hanno difficoltà a discernere ciò che viene detto se due persone parlano contemporaneamente. Affinché i sistemi optoelettronici funzionino con più lunghezze d'onda, devono avere un modo per separare le lunghezze d'onda otticamente, utilizzando filtri o altri elementi simili, consentendo a ciascun segnale di passare attraverso il proprio rigeneratore. Fino a poco tempo, però, ciò si è dimostrato poco pratico.

Questa limitazione è scomparsa con l'invenzione di una tecnica per aumentare direttamente l'intensità del segnale luminoso, senza la necessità di un passaggio elettronico intermedio. Il pezzo chiave della tecnologia è qualcosa chiamato un amplificatore in fibra drogata con erbio. Questi dispositivi, sviluppati alla fine degli anni '80, hanno reso possibile la rivoluzione del WDM.

A differenza di un rigeneratore, un amplificatore in fibra funziona direttamente sulla luce. La luce nel debole segnale di ingresso stimola gli atomi di erbio eccitati nella fibra a emettere più luce alla stessa lunghezza d'onda. Catene di amplificatori ottici possono combinarsi per trasportare segnali attraverso migliaia di chilometri di cavo in fibra ottica a terra o sotto l'oceano, senza rigeneratori. Poiché preservano la lunghezza d'onda dei segnali ottici, i dispositivi in ​​fibra di erbio possono amplificare simultaneamente diversi canali di lunghezza d'onda senza confonderli. Gli amplificatori di erbio funzionano bene nella regione del vicino infrarosso dello spettro in cui operano i sistemi in fibra ottica.

In terra e in mare

Le compagnie telefoniche interurbane furono le prime a rendersi conto che il multiplexing a divisione di lunghezza d'onda poteva ridurre il costo della larghezza di banda. Rispetto all'alternativa dell'aggiunta di nuova fibra, la tecnologia WDM fornisce un modo molto più efficace per aggiungere capacità, secondo Dana Cooperson, analista di reti ottiche per RHK Inc., una società di consulenza di mercato a South San Francisco. La posa di un nuovo cavo è costosa e richiede tempo. E seppellire un nuovo cavo lungo lo stesso percorso già occupato da un cavo più vecchio è rischioso: nuovi scavi invitano a rotture del cavo che potrebbero mettere fuori servizio l'intero sistema.

Il desiderio dei vettori di telecomunicazioni di risparmiare tempo e denaro ha portato a un rapido sviluppo delle tecniche WDM. A metà degli anni '90, le compagnie aeree hanno iniziato a utilizzare sistemi che trasmettono a quattro lunghezze d'onda e presto hanno aumentato il conteggio a otto. Gli sviluppatori hanno rapidamente suddiviso lo spettro in modo ancora più fine per spremere 16 canali di lunghezza d'onda attraverso una singola fibra per quello che è diventato noto come WDM denso.

Quando i vettori hanno visto la necessità, i produttori sono stati altrettanto rapidi nel percepire il mercato. Lucent Technologies di Murray Hill, N.J., ha adattato la tecnologia sviluppata presso la sua consociata Bell Labs. Ciena, una società di Linthicum, Md., fondata nel 1992, è andata avanti più velocemente, consegnando il suo primo sistema commerciale a 16 canali nel 1996, quasi contemporaneamente allo spin-off di AT&T. Seguirono altri giganti delle telecomunicazioni in tutto il mondo, tra cui Nortel, Alcatel, Pirelli, NEC, Hitachi, Fujitsu ed Ericsson. Negli ultimi due o tre anni, diverse aziende, tra cui Ciena, Lucent e Nortel di Saint-Laurent, nel Que., hanno iniziato a commercializzare sistemi che suddividono lo spettro dell'amplificatore di erbio in 32 o 40 frammenti, ciascuno largo solo 0,8 nanometri. Lo scorso settembre Lucent ha consegnato ad AT&T il suo primo sistema a 80 canali. Pirelli Cable di Lexington, S.C., seguito dalla promessa di una versione a 128 canali, ma non aveva consegnato l'hardware a metà gennaio.

I vettori di telecomunicazioni non hanno bisogno di tutti quei canali oggi e, grazie alla modularità intrinseca di WDM, non hanno bisogno di acquistare più canali finché non sono pronti. Un vettore che installa un sistema WDM può iniziare solo con i trasmettitori e i ricevitori necessari per i pochi canali iniziali. Successivamente, con l'aumentare della domanda di capacità, è possibile collegare apparecchiature aggiuntive per aprire nuove lunghezze d'onda.

Sfruttare appieno il WDM spesso richiede l'aggiornamento dei cavi più vecchi aggiungendo componenti che compensano un fastidioso effetto chiamato dispersione cromatica. Ciò si riferisce alla tendenza di un breve impulso luminoso ad allungarsi mentre viaggia attraverso una fibra a causa del fatto che alcune lunghezze d'onda viaggiano più velocemente di altre. La dispersione unisce gli impulsi luminosi e quindi limita la velocità di trasmissione. Evitare questo fenomeno è particolarmente importante nei cavi sottomarini, dove i segnali luminosi devono percorrere diverse migliaia di chilometri di fibra da riva a riva. Le nuove installazioni possono sfruttare le fibre progettate per prestazioni WDM ottimali, recentemente sviluppate sia da Lucent che da Corning (Corning, N.Y.).

L'anno scorso, il primo grande cavo sottomarino progettato per operazioni a lunghezza d'onda multipla, chiamato Atlantic Crossing 1, ha iniziato a inviare 2,5 Gbit/s a quattro canali di lunghezza d'onda su ciascuna delle sue quattro coppie di fibre. La capacità di questo sistema può essere aumentata a 16 lunghezze d'onda per fibra a quella velocità, afferma Patrick R. Trischitta, direttore del marketing tecnico presso i Tyco Submarine Systems Laboratories di Holmdel, NJ. Ciò promette un totale di 160 Gbit/s attraverso il cavo, un anello che collega gli Stati Uniti con Gran Bretagna, Paesi Bassi e Germania.

Project Oxygen alza l'asticella. La nuova tecnologia WDM trasporterà 10 Gbit/s a ciascuna delle 16 lunghezze d'onda attraverso l'oceano in quattro coppie di fibre, una capacità totale di 640 Gbit/s per cavo. È più di 1.000 volte la capacità del primo cavo in fibra ottica transatlantico, che ha iniziato il servizio solo un decennio fa. L'intero sistema alla fine includerà 168.000 chilometri di cavi, sufficienti per fare il giro del mondo quattro volte. Altri gruppi stanno progettando più sistemi di cavi sottomarini, sebbene nessuno sia così ambizioso. Non c'è da meravigliarsi se Clark del MIT prevede, annegheremo nelle fibre.

A terra, le compagnie telefoniche regionali hanno appena iniziato ad adottare il multiplexing della lunghezza d'onda. L'anno scorso, Bell Atlantic ha iniziato a testare WDM su un cavo di 35 chilometri tra Brunswick e Freehold, N.J., afferma Robert A. Gallo, l'ingegnere Bell Atlantic responsabile della sperimentazione. Quattro canali ciascuno trasportava segnali a una velocità di 2,5 Gbit/s, la velocità massima tra gli uffici di commutazione dell'azienda, e il sistema costruito da Ciena dispone di slot per un massimo di 16 canali di lunghezza d'onda. Bell South ha testato tre dei 16 canali in un sistema simile su un cavo che copre 80 chilometri tra Grenada e Greenwood, Miss. L'economia è chiara: è più economico aggiungere capacità WDM che aggiungere nuova fibra, afferma l'analista di RHK Cooperson.

Regole diverse si applicano ai cavi più corti che collegano gli uffici di commutazione ai principali clienti aziendali. Qui, nel cosiddetto mercato metropolitano, il costo dell'aumento del numero di fibre non è un problema così grande perché le corse sono molto più brevi, spiega Cooperson. Tuttavia, WDM migliora la trasmissione del segnale in altri modi importanti. Uno consiste nel trasportare i segnali nei loro formati digitali originali anziché convertirli nella codifica digitale utilizzata all'interno della rete telefonica. Poiché tale conversione richiede un'elettronica costosa, può essere più economico dedicare una lunghezza d'onda per la trasmissione end-to-end nel formato originale.

La capacità di ordinare i segnali in base alla lunghezza d'onda dovrebbe semplificare il funzionamento delle future reti in fibra ottica. Tradizionalmente, le compagnie telefoniche organizzano i segnali digitali in una gerarchia di bit rate, unendo molti affluenti a bassa velocità in potenti fiumi digitali che trasportano gigabit al secondo. Questo impacchetta i bit in modo efficiente sulle linee di trasmissione, ma richiede lo spacchettamento dell'intero flusso di bit per estrarre i singoli segnali. Se i segnali sono organizzati per lunghezza d'onda, tuttavia, l'ottica semplice può prendere in giro il canale di lunghezza d'onda desiderato senza disturbare gli altri. Gli ingegneri parlano di aggiungere un nuovo strato ottico al sistema di telecomunicazioni. I clienti potrebbero affittare una lunghezza d'onda in questo strato ottico invece di affittare il diritto di trasmettere a una velocità dati specifica. Una stazione televisiva, ad esempio, potrebbe riservare una lunghezza d'onda dal suo studio al suo trasmettitore e un'altra alla società via cavo locale e trasmettere entrambi i segnali in formati video digitali non utilizzati sulla rete telefonica.

La stretta finale

Poiché la richiesta di larghezza di banda non mostra segni di rallentamento, gli sviluppatori di sistemi WDM stanno già pensando a come inserire più lunghezze d'onda nella stessa fibra. Al momento, ci sono due approcci di base oggetto di indagine e i limiti di entrambi sono evidenti.

Un approccio consiste nel ridurre lo spazio tra le lunghezze d'onda, scegliendo lunghezze d'onda più vicine tra loro per trasportare la molteplicità di segnali. L'imballaggio di lunghezze d'onda più vicine funziona bene fino a un certo punto, ma alla fine si scontra con la fisica di base. Con l'aumento dei bit rate, gli impulsi ottici diventano più brevi e, seguendo i dettami del principio di indeterminazione di Heisenberg, questo accorciamento costringe il segnale luminoso a diffondersi su una gamma più ampia di lunghezze d'onda. Questa diffusione può causare interferenze tra canali ravvicinati. Il sistema a più alta capacità di Lucent gestisce 10 Gbit/s su canali di lunghezza d'onda separati da 0,8 nanometri ma solo 2,5 Gbit/s quando la spaziatura dei canali è dimezzata. E pochi esperti pensano che i canali possano essere compressi molto più strettamente. Tra i principali fornitori, solo Hitachi Telecom di Norcross, in Georgia, parla di modulazione dei singoli canali a 40 Gbit/s e ammette che quei segnali potrebbero estendersi solo su distanze limitate.

Le prospettive sembrano migliori per la seconda opzione: espandere la gamma delle lunghezze d'onda di trasmissione. Pirelli, ad esempio, utilizza tre amplificatori in fibra di erbio, ottimizzati per bande separate tra 1.525 e 1.605 nanometri, per spremere 128 canali di lunghezza d'onda a 10 Gbit/s ciascuno in una singola fibra. Lucent ha dimostrato in laboratorio amplificatori all'erbio che coprono una gamma simile e l'anno scorso ha introdotto una nuova fibra ottica che apre un blocco a lungo trascurato dello spettro di circa 1.400 nanometri. Non sono ancora disponibili buoni amplificatori ottici per altre lunghezze d'onda.

Affinché il WDM raggiunga il suo pieno potenziale, tuttavia, sarà necessario molto di più del semplice imballaggio di lunghezze d'onda aggiuntive. Sarà inoltre necessario sviluppare apparecchiature migliori per commutare e manipolare le varie lunghezze d'onda dopo che il segnale è uscito dal tubo ottico. Gli interruttori ottici si stanno avvicinando alle applicazioni commerciali pratiche, afferma l'analista Mack di KMI. Aggiunge, tuttavia, che per emulare completamente ciò che accade nei cross-connect digitali, è necessario riallocare e riassegnare le lunghezze d'onda. È impossibile allocare la stessa lunghezza d'onda a un cliente in un intero sistema perché l'enorme rete ha molti più clienti di quante lunghezze d'onda.

L'illustrazione seguente mostra come i segnali da San Francisco e Cupertino arrivano a Palo Alto alla stessa lunghezza d'onda, entrambi diretti a San Jose. Il nodo di Palo Alto deve convertire un segnale in una lunghezza d'onda diversa per l'ultima tappa del suo viaggio, in modo che i messaggi che trasportano non siano irrimediabilmente confusi. La conversione della lunghezza d'onda ora deve adottare lo stesso approccio a forza bruta dei rigeneratori, convertendo il segnale ottico in uno elettronico in grado di pilotare un trasmettitore alla lunghezza d'onda di uscita. Gli approcci di conversione completamente ottici, sebbene dimostrati in laboratorio, devono ancora raggiungere la praticità commerciale.

Anche se questi problemi tecnici vengono risolti, tuttavia, ciò non sarà sufficiente affinché la tecnologia spieghi davvero le sue ali. Per questo, anche il prezzo dovrà scendere, una traiettoria che secondo gli addetti ai lavori è già diventata evidente. Adel Saleh, capo del dipartimento di ricerca per l'accesso alla banda larga presso AT&T Labs a Red Bank, NJ, i progetti che costano per nodo di rete diminuiranno di un fattore 10 ogni cinque anni, a partire da $ 1 milione nel 1995. Entro uno o due anni, dice, WDM sarà economico solo per le reti backbone. Una volta che il costo scenderà a $ 100.000 per nodo, la tecnologia avrà senso per le reti metropolitane e regionali, a partire dal servizio alle grandi imprese. Saleh prevede che l'accesso residenziale nei grandi condomini seguirà dopo che i costi saranno scesi a $ 10.000 per nodo nel 2005 circa, con il WDM che raggiungerà le singole case una volta che i costi scenderanno a circa $ 1.000 nel 2010.

La vera forza del WDM risiede nel modo in cui espande le vie aeree ottiche in modo che tutti possano inalare più ossigeno delle informazioni. All'alba dell'era radiofonica, ogni trasmettitore ha urlato attraverso l'intero spettro radio, bloccando altri segnali per la durata della sua trasmissione. Quindi gli ingegneri hanno imparato a costruire circuiti che sintonizzano ogni trasmettitore sulla propria frequenza, aprendo lo spettro radio alle molte stazioni che possiamo ascoltare oggi. Allo stesso modo, WDM sostituisce un singolo flusso di bit in bianco e nero con una moltitudine di segnali di colore diverso.

WDM sta creando enormi nuove pipeline di informazioni che offriranno un servizio migliore a costi inferiori. Ma la vera rivoluzione dell'informazione non arriverà fino a quando le condutture WDM a basso costo non raggiungeranno le singole residenze. Le connessioni modem odierne rimangono colli di bottiglia, costringendoci a sorseggiare il torrente di dati attraverso l'equivalente elettronico di una sottile cannuccia di plastica. Ma preparati: quando la fibra raggiunge la casa, la tua lunghezza d'onda potrebbe fornire una fontana di bit ribollente.

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