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Panoramica della rete ottica
Una rete ottica è un sistema di comunicazione che utilizza segnali luminosi, anziché elettronici, per inviare informazioni tra due o più punti. I punti potrebbero essere computer in un ufficio, grandi centri urbani o persino nazioni nel sistema di telecomunicazioni globale. Le reti ottiche comprendono trasmettitori e ricevitori ottici, cavi in fibra ottica, interruttori ottici e altri componenti ottici. Le reti ottiche ed elettroniche possono assumere diverse forme. Le reti punto-punto realizzano connessioni permanenti tra due o più punti in modo che qualsiasi coppia di nodi possa comunicare tra loro; le reti punto-multipunto trasmettono gli stessi segnali contemporaneamente a molti nodi diversi; le reti commutate come il sistema telefonico includono switch che effettuano connessioni temporanee tra coppie di nodi. Gli elementi costitutivi di base di queste reti sono i cavi in fibra ottica, i cosiddetti tubi, che trasportano i segnali da un nodo all'altro, con interruttori che li indirizzano alla loro destinazione.
Il segnale
Un segnale ottico è costituito da una serie di impulsi prodotti dall'accensione e spegnimento di un raggio laser. La sua velocità dipende dalla velocità con cui il raggio può essere acceso e spento e da quanto gli impulsi si diffondono in lunghezza durante la trasmissione, un effetto chiamato dispersione. La quantità di dispersione dipende dal tipo di fibra, dalla lunghezza della fibra e dalla natura del segnale ottico. Maggiore è la dispersione, più difficile è distinguere tra impulsi adiacenti. Con la tecnologia attuale è possibile combinare diversi tipi di fibra per ridurre gli effetti di dispersione, consentendo la trasmissione a 10 gigabit al secondo per poche migliaia di chilometri. Per ottenere velocità di trasmissione più elevate, i ricercatori stanno esplorando modi per compensare attivamente la dispersione.
Una singola fibra può trasmettere molti segnali separati contemporaneamente a diverse lunghezze d'onda della luce, una tecnica chiamata multiplexing a divisione di lunghezza d'onda. Questo è analogo alla trasmissione di molti segnali radiofonici e televisivi attraverso l'aria a frequenze diverse.
Come il numero di stazioni radio, il numero massimo di canali ottici è limitato dalla porzione di spettro utilizzata per ciascun canale e dalla quantità totale di spettro disponibile. Dispositivi chiamati demultiplexer separano i canali ottici e li distribuiscono a ricevitori ottici separati. I demultiplexer suddividono lo spettro in blocchi molto stretti, isolando ciascun canale ottico da quelli adiacenti.
Moltiplicando il numero di canali ottici per la velocità di trasmissione dati su ciascun canale ottico si ottiene la capacità di trasmissione totale di una fibra. Gli esperimenti di laboratorio hanno trasmesso più di 10 trilioni di bit (10 terabit) al secondo attraverso più di 100 chilometri di fibra. Tuttavia, le velocità di trasmissione commerciale in genere non superano alcune centinaia di gigabit al secondo.
Il raggiungimento di queste elevate velocità di trasmissione dati e di più canali richiede componenti sofisticati. I laser a semiconduttore, che generano gli impulsi luminosi utilizzati in quasi tutti i sistemi di comunicazione in fibra ottica, devono emettere solo una gamma molto ristretta di lunghezze d'onda per limitare la dispersione. Le fibre inoltre sono progettate per limitare la dispersione.
Amplificatori
Le fibre ottiche più chiare possono trasmettere segnali per più di 100 chilometri senza amplificazione, molto più lontano dei fili di rame. Quando il segnale deve coprire una distanza maggiore, viene fatto passare attraverso un amplificatore ottico, che moltiplica la forza del segnale ottico. Gli amplificatori ottici più utilizzati sono fibre drogate con atomi di erbio, un elemento delle terre rare che assorbe l'energia luminosa da una pompa laser esterna. Gli atomi di erbio rilasciano quindi quell'energia per amplificare i segnali ottici deboli attraverso l'intera banda di lunghezze d'onda che il laser trasmette. Con un attento controllo, una serie di dozzine di amplificatori in fibra ottica può trasmettere segnali a migliaia di chilometri attraverso l'oceano.
Interruttori ottici
Una sfida alla rete ottica è come commutare i segnali luminosi. Quando un segnale arriva a destinazione, deve essere separato dal resto dei canali. Per eliminare un segnale in un punto intermedio, un filtro ottico separa la lunghezza d'onda corretta dal resto. L'apparecchiatura a quel punto può anche aggiungere un nuovo segnale alla lunghezza d'onda ora non occupata.
Gli interruttori ottici possono operare su una singola lunghezza d'onda o su tutte le lunghezze d'onda trasmesse attraverso una fibra. Un filtro fisso, come quello sopra descritto, potrebbe essere sostituito da un interruttore che seleziona uno dei vari filtri per deviare la lunghezza d'onda desiderata nel punto intermedio. Un terzo tipo di interruttore separa le lunghezze d'onda in fasci separati e uno specchio mobile dirige una o più lunghezze d'onda in una direzione diversa. Altri interruttori ottici commutano simultaneamente tutte le lunghezze d'onda che passano attraverso una fibra; un esempio è uno specchio all'uscita della fibra che potrebbe inclinarsi tra due diverse posizioni per reindirizzare tutti i canali ottici in caso di rottura della fibra.
Gli esempi precedenti sono chiamati interruttori completamente ottici perché funzionano su segnali luminosi. Una diversa classe di interruttori converte i segnali ottici in una forma elettronica che può essere commutata elettronicamente; il segnale elettronico risultante viene quindi alimentato in un trasmettitore ottico per generare un nuovo segnale ottico. Questi sono chiamati interruttori opto-elettro-ottici.
Poiché la tecnologia continua ad avanzare, le reti ottiche dovranno convertire i segnali da una lunghezza d'onda all'altra. Questo può essere fatto ora con convertitori di lunghezza d'onda opto-elettro-ottici che convertono il segnale ottico in ingresso in forma elettronica per pilotare un trasmettitore alla seconda lunghezza d'onda. I convertitori di lunghezza d'onda completamente ottici sono stati dimostrati in laboratorio, ma non sono ancora utilizzati in sistemi pratici. Saranno necessarie anche sorgenti laser che possono essere sintonizzate su molte lunghezze d'onda diverse; ne sono stati dimostrati diversi tipi e alcuni sono in produzione commerciale.