A cura di Alberto Mucci Le nuove tecnologie fotoniche L’ · Con le nuove tecnologie fotoniche si avranno gros- ... Luca Poti, Scuola S. Anna, Pisa. le nuove tecnologie fotoniche

I quaderni di A cura di Alberto Mucci

Italia ha fatto bella figura al “vertice” UE di Viterbo dei Ministri della Comu-nicazione e della Innovazione, “vertice” dedicato a fare il punto sui pro-gressi compiuti verso l’obiettivo “una società dell’informazione per tutti”

(Consiglio straordinario di Lisbona del marzo 2000).I progressi riguardano fra l’altro l’utilizzo crescente della fibra ottica nelle reti

di accesso (utenti a casa). I 12 mila 700 utenti (al 31 luglio 2003) con fibra ottica acasa sono destinati ad aumentare progressivamente di numero ed a stimolareulteriori innovazioni, diversi e sempre più sofisticati utilizzi.

La prospettiva è allettante. Con le nuove tecnologie fotoniche si avranno gros-si miglioramenti nell’elaborazione delle informazioni e nell’utilizzo di dispositivivari, che vanno dalla sensoristica alla sicurezza. La fibra ottica permetterà di a-vere a disposizione una banda larga ancora più larga dell’attuale, per la trasmis-sione ad altissima velocità di dati, cifre, informazioni, ecc.

Questo “Quaderno” si propone di spiegare, con l’intervento di “addetti al lavo-ro”, le ricadute operative dell’utilizzo delle nuove tecnologie fotoniche. Della ban-da larga abbiamo detto: l’obiettivo si avvicina. E ancora: si potranno realizzare cal-colatori ottici che permetteranno di avere una velocità di impiego molto più alta diquella che si ha oggi con l’elettronica (l’ottica sostituisce l’elettronica come il foto-ne sostituisce l’elettrone).

Altro settore: la costruzione di sensori che permetteranno di monitorare in ma-niera efficiente l’ambiente che ci circonda. E ancora: la telemedicina, che con lanuova tecnologia permetterà interventi a distanza e il monitoraggio della salutedi ognuno di noi.

Fantascienza? No. Sono le prospettive dell’innovazione che avanzano. E nellaquale l’Italia vuole svolgere un ruolo positivo e propositivo

L’

Le nuove tecnologie fotoniche

SUPPLEMENTO AL NUMERO DI OTTOBRE N. 211 DI MEDIA DUEMILA

L’Ottica per il rilancio del Paese

Sistemi di trasmissione su Fibra Ottica

Le reti di telecomunicazione verso “il tutto ottico”

La Trasmissione a 40 Gb/s per le nuove comunicazioni

Le nanotecnologie per la fotonica

I cristalli fotonici

Elettronica organica per optoelettronica

I laser a semiconduttore

Microdispositivi fotonici in Niobato di Litio

La conversione tutta ottica di frequenza

I Fotorifrattivi

Il piano di controllo ottico delle reti ASON/GMPLS

La fotonica nei sistemi radar di nuova generazione

Satellite e fibra per la larga banda a tutti

Sensori in fibra ottica per il monitoraggio strutturale

I cristalli liquidi: la tecnologia dello stato delicato della materia

Generazione di impulsi ultracorti per trasmissioni ed elaborazioniottiche ad altissima velocità

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Sono usciti:

“Il futuro delle telecomunicazioni” luglio/agosto 2002“La transizione verso il digitale terrestre” settembre 2002“Un web per tutti. L’accessibilità di Internet” ottobre 2002“Wi-Fi. Come – quando – perché” novembre 2002“I satelliti nella società multimediale” dicembre 2002/gennaio 2003“Telefonia mobile e emissioni elettromagnetiche” febbraio 2003“Le reti di telecomunicazioni diventano intelligenti” marzo 2003 “Mentre viaggi lavori con Internet” aprile 2003 “Come garantire sicurezza con lo sviluppo di Internet” maggio 2003“Le macchine che parlano” giugno 2003“Le macchine che capiscono” luglio/agosto 2003“Il progresso tecnologico fra brevetti e standard” settembre 2003“La rendicontazione? Automatica, ma…” ottobre 2003

INDICE

Il Quaderno è stato realizzato dalla Fondazione Ugo Bordoni (Presidente il Prof. Giordano BrunoGuerri, Direttore Generale il Consigliere Guido Salerno). Coordinatore del Quaderno l’ing.Francesco Matera. Hanno collaborato: Andrea Bonati, Alcatel Italia; Saracino Sante, Siemens-CNX Spa; Raoul Fiorone, Marco Camera, Marconi Communications; Massimo Gentili, PirelliLabs; Giorgio Maria Tosi Beleffi, Fondazione Ugo Bordoni; Andrea Reale, Marco Berliocchi, AldoDi Carlo, Università di Roma Tor Vergata; Faustino Martelli, INFM Trieste; Federico Lucchi,Valerio Pruneti, Avanex Corporation; Paola Griggio, Università di Padova; Alessandro SchiaffiniPirelli, LABS; Sergio Cascelli, ISCTI: Antonio Manzalini, Telecom Italia Lab; Mauro Varasi, AMSRoma; Lorenzo Ronzitti, Telespazio s.p.a.; Andrea Fellegara, Michele A. Caponero, AntonioPaolozzi; Antonio D’Alessandro, Rita Asquini, Università “La Sapienza” – INFM; Giancarlo Prati,Ernesto Ciaramella, Antonella Bogoni, Giampiero Contestabile, Luca Poti, Scuola S. Anna, Pisa.

le nuove tecnologie fotoniche

Le tecnologie ottiche stanno avendouna penetrazione sempre più profon-da nella nostra vita, anche se spessonon ce ne accorgiamo personalmente.

Non facciamo uno specifico riferimento alcampo medico, dove il progresso è per tuttitangibile, bensì ai campi delle telecomunica-zioni e del monitoraggio, sia sull’ambiente chesull’uomo stesso, dove non sempre è visibilela presenza dei processi ottici.

Questa espansione risiede nel fatto che l’ot-tica permette il trasporto di immense quantitàdi informazioni. I fotoni, con tutte le loro pos-sibili frequenze, ci permettono di percepire unmondo fantasticamente pieno di colori e le im-magini che percepiamo sono straordinaria-mente grandi in termini di informazione con-tenuta.

Fino all’avvento della televisione questeinformazioni non potevano essere trasmesseperché la velocità dei componenti elettroniciera ancora lenta rispetto a quella richiesta peril trattamento delle immagini. Con l’introdu-zione di dispositivi elettronici sempre più ve-

loci, il trattamento delle immagini si è perfe-zionato garantendo non solo una elaborazio-ne, e quindi una qualità, sempre più raffinata,ma anche e soprattutto la possibilità di unatrasmissione reciproca tra utenti: esempi di vi-deo-comunicazione sono oggi sotto gli occhidi tutti, anche su terminali mobili (telefonia diterza generazione).

Proprio per garantire un passaggio fluido econtinuo di queste grandi quantità di informa-zioni, le reti di telecomunicazione dovrannoessere sempre più potenti. Le attuali infrastrut-ture evidenziano altresì limiti profondi in que-sta direzione perché l’elaborazione dei segnaliè ancora intrinsecamente basata su dispositivielettronici che, per quanto veloci, sono semprelenti rispetto ai processi ottici. Per dare un’ideapossiamo dire che l’elettronica oggi permette ilprocessamento di segnali con una velocità in-torno ai 40 Gb/s, cioè in un secondo possonoessere elaborati 40 miliardi di bit; questa velo-cità è immensa ma lenta se confrontata con iflussi di informazione che potrebbero esserescambiati tra città che fanno profondamente

L’Ottica per il rilancio del Paese

novembre 2003

I laboratori di ottica dell’Istituto Superiore delle Comunicazioni e delle Tecnologie dell’Informazione (ISCTI) e della Fondazione Ugo Bordoni.

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porteranno ad una rivoluzione sociale e l’otti-ca sarà uno degli strumenti essenziali di que-sto processo: ogni cittadino, di ogni estrazionesociale e localizzato in ogni area del paese po-trà accedere ad un universo culturale vastissi-mo, un tempo riservato solo a pochissime per-sone. Il piano e-Europe prevede che entro il2005 tutte le amministrazioni dovranno essereconnesse con accessi a larga banda e almenoil 50% delle connessioni internet dovrà posse-dere questo tipo di caratteristica. Questo signi-fica che nei prossimi due anni avremo, solo inItalia, milioni di connessioni a larga banda; irisultati attuali sembrano confortanti visto che,solo nel periodo luglio 2002-luglio 2003, nelnostro Paese abbiamo avuto circa un milionee 300 mila nuovi accessi a larga banda. Questosignifica che avremo sempre più necessità direti ad altissima capacità.

L’ottica potrà contribuire a colmare moltelacune del mondo della comunicazione e pri-ma tra tutte quella dell’arretratezza tecnologi-ca di molte aree (digital divide), e questo gra-zie alla introduzione di sistemi con una capa-cità sempre più alta e a un prezzo sempre piùbasso, che permetteranno una migliore diffu-sione delle tecniche digitali. In particolarel’ottica, integrata con altre tecnologie comead esempio quelle radio e in rame, potrà per-mettere la connessione a larga banda di pic-coli comuni, comunità montane, centri rurali,isole e tutti quei luoghi che mostrano grandidifficoltà dal punto di vista orografico. Per fa-re degli esempi ci riferiamo ai sistemi di tele-comunicazione ottici in aria libera (wireless),che già oggi permettono la connessione adaltissima capacità tra centri situati a distanzedell’ordine del centinaio di metri. Tali distan-ze potranno essere fortemente allungate conl’introduzione di nuovi laser, come sarà de-scritto in questo stesso quaderno. Oggi le tra-smissioni satellitari a larga banda sono giàuna realtà e rappresentano la principale solu-zione per molte aree disagiate, ma le poten-zialità sono assai maggiori se si pensa alla in-tegrazione con sistemi in fibra (fibra-satelli-te). Infine pensiamo alle comunicazioni radioche oggi sono anche un importante mezzo diaccesso a larga banda (sistemi WI-FI eUMTS); sicuramente le comunicazioni ottichepossono dare un grande contributo a questetecnologie in quanto permettono la realizza-zione di collegamenti in fibra ottica molti lun-ghi tra le antenne e le stazioni radio base (si-stemi radio over fibre).

I QUADERNI DI TELÈMA

uso della video-comunicazione, ovvero flussiin grado di raggiungere una capacità di mi-gliaia di Gb/s.

Per superare la “lentezza” dell’elettronicaoggi si pensa all’utilizzo di una elaborazionecompletamente ottica dei segnali. È ancorapresto per parlare della commercializzazionedei calcolatori ottici, ma nei laboratori sonostati già sperimentati semplici circuiti ottici chepermettono di elaborare segnali con una velo-cità dell’ordine del centinaia di migliaia diGb/s.

Come abbiamo accennato le applicazionidell’ottica sono vastissime e non solo nel cam-po delle telecomunicazioni. Molteplici esempisono evidenti nel campo dell’avionica, per lagestione e la manutenzione degli aerei, dellasicurezza, grazie ad una sensoristica semprepiù evoluta, per non parlare poi delle applica-zioni mediche, industriali, militari e ambientalie degli interventi per il recupero artistico deimonumenti. Per dare delle semplici idee la fi-bra ottica è di per se un buon sensore per latemperatura e la pressione, inoltre fasci laserpermettono di realizzare sistemi di allarmeconnessi a reti in fibra che, con l’ausilio di te-lecamere, sono in grado di garantire la sorve-glianza di vasti ambienti.

Le applicazioni mediche dell’ottica richie-derebbero un libro a parte, qui elenchiamosemplicemente le tecniche endoscopiche,sempre meno invasive per il paziente, e l’usodel laser, sia come strumento chirurgico checome strumento di cura. Nel campo dellameccanica, l’ottica può essere utilizzata perapplicazioni industriali quali il taglio dei me-talli o le saldature, grazie all’utilizzo di po-tenti laser, ed il controllo di processi micro-metrici. Per le applicazioni militari forse tuttisi aspettavano il laser come arma strategica einvece l’ottica ha permesso di svilupparetante altre tecniche che vanno dal punta-mento automatico alla realizzazione di cir-cuiti per sistemi radar. Le radiazioni lumino-se possono inoltre essere utilizzate per il mo-nitoraggio dell’inquinamento ambientale ed,in fine, il laser può anche rivelarsi un ottimostrumento per la pulizia ed il recupero di o-pere artistiche.

In questo quaderno non potevamo trattarecontemporaneamente tutti questi aspetti e ab-biamo preferito concentrarci su alcuni argo-menti in genere più attinenti al campo delletelecomunicazioni, e questo per una ragionedi base: le telecomunicazioni a larga banda

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La fibra ottica a casa dell’utente è ormai unarealtà per gli abitanti di alcune città italiane, si-curamente non sarà una possibilità immediataper tutto il Paese, ma è certo che la fibra si av-vicinerà sempre di più alle nostre abitazioni.Questa diffusione è fortemente legata a tuttauna serie di servizi e applicazioni che sono incontinua evoluzione e che fanno sentire ad o-gni utente l’esigenza di avere un collegamentoa larga banda.

Occorre inoltre precisare che avere una fi-bra nei pressi della nostra casa è risorsa di cuioggi ancora non si riesce a cogliere pienamen-te il significato; i collegamenti in fibra ci porta-no oggi a casa flussi dell’ordine del Mb/s, chesono certamente più che sufficienti per le at-tuali esigenze. Ma ogni singola fibra può por-tare capacità enormemente più grandi ed inparticolare moltissimi canali. Una realtà che

Apartire dalla fine degli anni ’80,quando le caratteristiche della fi-bra ottica in silice e la disponibi-lità di amplificatori ottici hanno

permesso la realizzazione dei primi collega-menti transoceanici ad alta velocità, la tec-nologia dei sistemi di trasmissione su fibraottica ha subito una progressiva e rapida e-voluzione, pilotata dalle pressanti richiestedi capacità di traffico sempre più elevate.Per soddisfare queste esigenze sono state u-tilizzate sia la tecnica di multiplazione a di-visione di frequenza (che, nell’ambito deisistemi di trasmissione su fibra ottica, pren-de il nome di multiplazione a divisione dilunghezza d’onda, Wavelength DivisionMultiplexing, WDM), sia quella a divisionedi tempo (Time Divis ion Mult iplexing ,TDM), che hanno portato ad uno sfrutta-mento sempre più efficiente delle caratteri-stiche offerte dal mezzo trasmissivo (attual-mente la capacità trasmissiva totale su sin-gola fibra supera il Tb/s). Questo sviluppoè stato comunque reso possibile da una fer-vida attività di ricerca nel settore della com-ponentistica necessaria per l’implementa-zione di tali sistemi, attività che sta renden-do peraltro sempre più concreta la possibi-lità, presa in considerazione in questi ultimi

molti stanno proponendo, per esempio perrealizzare delle reti private, visto anche che ilcosto di alcuni dispositivi sta fortemente dimi-nuendo.

In conclusione crediamo che l’ottica potràdare un grosso contributo allo sviluppo in tan-tissimi campi e sarà uno degli elementi fonda-mentali per il rilancio dell’economia a comin-ciare dal settore dell’Information Communica-tion Technology (ICT). Come mostrato daicontributi che sono presenti in questo Qua-derno l’Italia nel campo dell’ottica ha oggi unruolo fondamentale a livello mondiale sia perla produzione che per la ricerca e questo deveessere considerato solo come un punto di par-tenza per un grande rilancio del settore ICT.

Francesco Matera Fondazione Ugo Bordoni

anni, di realizzare reti completamente otti-che.

Tipi di fibre: infrastrutture esistentie loro evoluzioni recenti

Le infrastrutture per telecomunicazioniattualmente esistenti utilizzano tre diversi ti-pi di fibra, che presentano tutti all’incirca lostesso valore di attenuazione, da 0.20 a 0.21dB/km in terza finestra e 0.4 dB/km in se-conda finestra. Storicamente il primo tipo difibra utilizzato, nei primi anni ’80, è stato lo“standard” monomodo (SSMF, StandardSingle-Mode Fiber, normativa ITU-T G.652)che rimane tuttora il più diffuso, costituen-do circa l’80 % di tutta la fibra installata nelmondo. Attualmente 3 sono le fibre utilizza-te: la SSMF, la fibra a dispersione spostata(DSF, Dispersion Shifted Fiber, normativaITU-T G.653) che presenta una dispersionenulla banda dei 1500 nm (banda in cui ope-rano gli amplificatori ottici ad erbio) ed èparticolarmente idonea per i sistemi singolocanale ad alta capacità e la fibra a dispersio-ne spostata non nulla (Non-Zero DispersionShifted Fibers , NZDSF, normativa ITU-TG.655), che presenta un valore modesto, ma


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Sistemi di trasmissione su Fibra Ottica

nerazione, imponendo stringenti vincoli in ter-mini di budget di potenza. L’amplificatore otti-co è diventato quindi un componente essen-ziale per questo tipo di collegamenti, sosti-tuendo, ove possibile, i più costosi e ingom-branti rigeneratori optoelettronici. Il tipo piùcomunemente utilizzato è l’amplificatore in fi-bra drogata con Erbio (EDFA, Erbium-DopedFiber Amplifier), che, nella sua configurazionestandard, presenta un guadagno che può rag-giungere anche i 30 dB in una banda di circa35 nm nella regione intorno a 1.55 mm, con-sentendo perciò solamente la trasmissione interza finestra, eventualmente su fibra DS perridurre le penalità da dispersione.

Relativamente ai sistemi sottomarini, conl’installazione dei collegamenti transatlanticiTAT-12 (’95) e TAT-13 (’96) operanti in terza fi-nestra su fibra DS, è stato introdotto l’utilizzodi amplificatori ottici di linea “sommersi”. Perquanto riguarda invece le applicazioni terre-stri, le prime installazioni risalgono al ’90-’91negli USA, dove sono stati inizialmente impie-gati come booster: venivano infatti posizionatiin uscita dal trasmettitore per incrementare lapotenza ottica dei terminali SONET, operantiprevalentemente a 2.5 Gb/s. Questo tipo diapproccio ha consentito in particolare di rag-giungere tratte di 200 km senza rigenerazione.Successivamente, negli anni ’94-’95, si è co-minciato ad introdurre, nell’ambito dei sistemia 2.5 Gb/s, gli amplificatori lunga linea, chehanno permesso di raggiungere, con l’aiutodegli ultimi sviluppi delle tecnologie nel cam-po dei laser, distanze di 600-800 km senzal’ausilio di tecniche per la compensazione del-la dispersione cromatica.

I network service providers sono attualmen-te impegnati nel valutare le diverse alternativein grado di incrementare la capacità di trafficoofferta dalle reti già installate. Infatti, i sistemia grande capacità attualmente in servizio ope-rano tipicamente a 2.5 Gb/s e 10 Gb/s nella fi-nestra intorno a 1550 nm. Qualora gli operato-ri di rete procedessero ad un upgrading in ter-mini di capacità complessiva, oltre alla più ov-via, ma senz’altro più costosa, alternativa delmultiplexing nel dominio spaziale (SDM, Spa-ce Division Multiplexing) che consiste nell’in-stallare nuova fibra, troverebbero disponibilidue diverse soluzioni:� il TDM (Time Division Multiplexing), cheaumenta la cadenza di cifra multiplando elet-tronicamente nel dominio del tempo più se-gnali a velocità inferiore;


non nullo a 1500 nm che è stata introdottaper i sistemi WDM.

Trasmissione a lunga distanza e adalta capacità

Le reti ottiche di prima generazione, fattaeccezione per le reti di accesso di tipo resi-denziale, utilizzano la fibra esclusivamente co-me mezzo trasmissivo in sostituzione del cavoin rame, mentre eseguono tutte le operazionidi commutazione, elaborazione ed instrada-mento per via elettronica. Esempi di questo ti-po sono le reti SONET (Synchronous OpticalNetwork) e SDH (Synchronous Digital Hierar-chy), che costituiscono il cuore delle infra-strutture per telecomunicazioni, rispettiva-mente, in America del Nord, Europa ed Asia.In entrambi i casi esiste una gerarchia standar-dizzata che regola la generazione di flussi otti-ci ad alta velocità, detti di aggregato, a partiredai cosiddetti flussi tributari, per mezzo di o-perazioni di multiplexing elettrico nel domi-nio del tempo.

Nel caso dell’SDH (normative ITU-T G.707,G.957) la gerarchia di base è denominata STM-1 (Synchronous Transport Module-1) e preve-de un flusso di aggregato alla velocità di155.52 Mb/s. La gerarchia immediatamentesuccessiva è l’STM-4, che tratta un flusso di da-ti a 622.08 Mb/s. Entrambe sono utilizzate pre-valentemente nell’ambito delle reti di accesso,che sono supportate da fibra “standard” e pre-vedono l’impiego di una componentistica ditipo low cost.

Per i collegamenti a lunga distanza sonoprevalentemente utilizzate le gerarchie STM-16 ed STM-64 che consistono in flussi di ag-gregato alla velocità di circa 2.48 Gb/s e 9.92 4b/s, trasmessi in generale su fibra “standard”(seconda e terza finestra) o dispersion shifted(terza finestra). In questo caso il sistema è di-mensionato in modo tale da distanziare almassimo i rigeneratori optoelettronici: graziealla compensazione delle perdite di attenua-zione ottenuta tramite l’inserzione periodica diamplificatori ottici il segnale può mantenere lasua natura “ottica” fino a distanze dell’ordinedi diverse centinaia di chilometri.

I sistemi a lunga distanza comprendono lacategoria di applicazioni in cui la presenza dibarriere geografiche come laghi, mari o mon-tagne, impediscono o comunque rendono dif-ficoltosa l’installazione di un apparato di rige-

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� il WDM (Wavelength Division Multi-plexing), che prevede la trasmissione contem-poranea di più canali a diverse lunghezzed’onda di portante.

Naturalmente, essendo complementari, èpossibile impiegare un’opportuna combina-zione di entrambe le soluzioni, ed è effettiva-mente ciò che si verifica in pratica. È propriomediante la combinazione di ambedue le so-luzioni che diversi laboratori di ricerca hannodimostrato di poter raggiungere capacità su-periori ai 10 Tb/s su una singola fibra.

La tecnica di multiplazione a divisione ditempo permette, come è stato appena precisa-to, di aumentare la capacità di trasmissionemediante la multiplazione di N flussi di dati a“bassa velocità” in un unico flusso a velocità Nvolte superiore alla cadenza di cifra dei singoliflussi in ingresso al multiplexer elettrico. Neisistemi TDM la velocità di cifra può essere for-temente aumentando utilizzando una multi-plazione ottica nel dominio del tempo (Opti-cal Time Division Multiplexing, OTDM) comeriportata nella figura.

A differenza dell’approccio WDM, con la tec-nica TDM la durata di un bit del flusso di datitrasmesso in fibra risulta essere N volte più pic-cola di quella dei bit degli N flussi di partenza.Questi ultimi sono infatti interallacciati tra di lo-ro in modo tale da allocare all’interno della du-rata del bit slot di partenza un bit per ogni sin-golo flusso all’ingresso del multiplexer, sepa-rando così temporalmente due bit successividello stesso flusso tributario di una quantitàproprio pari alla loro durata originaria.

L’approccio di tipo WDM prevede la trasmis-sione simultanea di N portanti ottiche, ognunaad una cadenza di cifra R, in linea di principionon troppo elevata per quanto riguarda gli ef-fetti dispersivi, determinando una capacità ditrasmissione complessiva di NxR Gb/s.

L’introduzione dell’amplificatore ottico, edin particolare dell’amplificatore in fibra droga-ta con Erbio, ha drasticamente cambiato l’eco-nomia dei sistemi multilunghezza d’onda poi-ché ha consentito l’amplificazione simultaneadi tutti gli N canali, sostituendo, ove possibile,N rigeneratori optoelettronici, preceduti da undemultiplexer e seguiti da un multiplexer.

Reti ottiche metropolitane

Negli ultimi anni gli operatori di Telecomu-nicazioni hanno speso cifre cospicue per ag-

giungere imponenti capacità nelle loro reti ditrasmissione a lunga distanza. Queste auto-strade ottiche sono in grado di trasportare,anche in prospettiva, il traffico multimedialeche gli utenti business e privati generano. Èperò necessario sviluppare ulteriormente lereti metropolitane, per connettere le sorgentidi traffico ad alta capacità alla loro velocità disorgente.

Oggi le aree metropolitane hanno ancora li-mitati accessi ad alta capacità per la connes-sione verso le grandi dorsali. Per ovviare gli o-peratori locali devono aumentare la capacità,e migliorare la flessibilità delle loro reti nell’a-rea metropolitana, il più in fretta possibile peressere in grado di ospitare adeguatamente l’e-voluzione del traffico originato dai nuovi ser-vizi a larga banda.

Sfortunatamente l’abbondanza di capitali,che in passato ha supportato la realizzazionedelle grandi dorsali, si è esaurita e gli investi-menti attuali nella rete di telecomunicazionisono valutati, al momento, con molta parsimo-nia. La tecnologia scelta da numerosi Operato-ri è nel transitorio la “Digital Subscriber Line”(DSL), sui collegamenti esistenti dei loro clien-ti privati o piccoli imprenditori. Fino a qualchetempo fa, questi clienti potevano connettersi aInternet tramite le normali linee telefoniche, e-conomiche ma a banda molto limitata, oppurein alternativa con costose linee digitali “PrimeRate Access” (PRA). La limitazione di banda dauna parte, o quella di costo dall’altra sono sta-te un freno importante allo sviluppo del traffi-co dati scambiato dagli utenti su Internet.

Oggi il numero crescente di queste connes-sioni nella loro evoluzione a larga banda, stafacendo crescere in modo deciso il volume ditraffico e tale incremento tende naturalmentea saturare le risorse di rete esistenti. L’uso del-la fibra ottica e dei sistemi di multiplazione de-scritti nei paragrafi precedenti è la soluzionetecnica ed economica per rispondere alle ne-cessità delle Reti Metropolitane. È quindi facileprevedere una progressiva migrazione della fi-bra sempre più verso l’utente finale.

Verso le reti completamenteottiche: Optical Add DropMultiplexing (OADM) e OpticalCross Connect (OXC)

Come gli amplificatori ottici hanno sostitui-to in molte applicazioni i rigeneratori optoe-


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no i primi sistemi commerciali in grado di e-spletare più evolute funzionalità ottiche. Sitratta oggi per lo più di prodotti con capacità eflessibilità limitate, soprattutto se paragonatecon le corrispondenti degli ADM e Cross-Con-nect elettronici a parità di numero di affluenti.

In generale, l’implementazione di questefunzionalità richiede ancora un’intensa attivitàdi ricerca per poter conseguire in una rete otti-ca maturità comparabili a quelle offerte daglistandard SDH/SONET.

Andrea BonatiAlcatel Italia

menti sono distribuiti con il requisito minimodi fornire almeno due percorsi alternativi frauna qualunque coppia di nodi).

In questo caso la protezione del traffico inpresenza di un guasto, si ottiene sovradimen-sionando le capacità trasmissive di ogni colle-gamento, e riservando questa parte eccedenteper il trasporto di una porzione del traffico chegli viene dirottata in caso di rottura di uno deicollegamenti attivi.

Lo scenario tecnologico

Gli stimoli più forti alla evoluzione delle retidi telecomunicazione arrivano dal settore del-l’ottica e dal mondo di Internet. L’ottica, con lesempre più sofisticate tecniche di amplificazio-ne del segnale che si traducono in distanze sem-pre maggiori che il segnale ottico riesce a copri-re senza necessità di essere rielaborato (rigene-rato) congiuntamente a soluzioni sempre più ef-ficienti di aggregazione di più segnali sulla stes-sa fibra (WDM) sta consentendo di raggiungeredei livelli di costo/bit/km veramente bassissimi.

Le tecnologie legate al mondo di Internetstanno indirizzando sempre di più ad un usoottimizzato delle capacità trasmissive: non piùun circuito dedicato per connettere due utenti,inutilizzato nei momenti di pausa, ma l’usocondivisivo delle risorse che vengono di voltain volta utilizzate per il trasporto di informa-zione (pacchetti) appartenente a collegamentidifferenti.


lettronici grazie alla loro capacità di supporta-re segnali con bit rate crescenti e segnali di ti-po WDM, così l’elemento di forza degli switchottici rispetto alle controparti elettroniche è latrasparenza alla trama e al bit rate del segnaletrasportato. Ciò rappresenta un elemento fon-damentale per il successo futuro degli OpticalAdd Drop Multiplexer (OADM) e OpticalCross Connect (OXC), quando il parametrofondamentale sia la banda totale da “crosscon-nettere”.

Numerose aziende manifatturiere, superataormai la fase di studio di fattibilità nei labora-tori di ricerca avanzata, annunciano ed offro-

I l termine correntemente utilizzato di Retedi Trasporto, così come i termini di reteregionale o metropolitana, è il risultato diuna semplificazione lessicale, utilizzata

all’interno di un modello semplificato di rete,per indicare quella porzione della rete checonnette i nodi principali di cui e costituita. Ledue tipologie principali di rete finora adottatee analizzate dai pianificatori di rete sono statil’anello (ring) e la rete magliata (mesh).

In una configurazione ad anello, ogni nodoè connesso solo ai due nodi adiacenti all’inter-no di una struttura ad anello. Questa è la tipo-logia oggi più diffusa sia nella porzione di retedi trasporto, che in quella in area metropolita-na. Essa è molto apprezzata per la elevata ca-pacità e velocità di riconfiguzione con cui rea-gisce ad eventuali guasti ed è pertanto racco-mandata quando è richiesta una disponibilitàdel servizio prossima al 100%.

Questa sua caratteristica gli deriva dal fattoche la capacità (banda) del mezzo trasmissivo(fibra o cavo) si utilizza solo per metà e si la-scia l’altra metà scarica per essere utilizzata so-lo in caso di necessità, ovvero in caso di gua-sto della parte attiva.

In una struttura a rete magliata, i nodi sonointerconnessi in una configurazione 1 a N, do-ve N può variare da nodo a nodo. In tale strut-tura, ogni nodo è connesso a tutti gli altri nodicon un grado di connettività che può essere ditipo completo (ogni nodo è collegato a tutti glialtri nodi della rete) o di tipo lasco (i collega-

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Le reti di telecomunicazione verso“il tutto ottico”

Ma oltre a questi due aspetti, vi è una ter-za intrigante opportunità che sta sfidando ilmondo scientifico ed è quella legata al con-cetto di trasparenza, ovvero la realizzabi-lità di una rete di trasporto completamenteottica. Sino ad oggi, i segnali ottici che rag-giungevano un nodo della rete, prima di su-bire qualunque tipo di elaborazione doveva-no per iniziare essere convertiti da ottico inelettrico, perché questo è l’unico formatoper cui disponiamo di opportuni circuiti dielaborazione. Questa operazione è ancoramolto costosa perché richiede una conver-sione O/E/O e impiega dispositivi di conver-sione O/E (fotorivelatori) e E/O (Laser) mol-to pregiati. Questa costosa conversione èperò del tutto evitabile in tutti quei casi incui il segnale non ha ancora raggiunto la suadestinazione finale e il nodo è semplicemen-te un punto di attraversamento. Un recentestudio che comparava per una rete magliatail costo di una realizzazione con conversio-ne E/O/E e una “completamente trasparen-te” ha mostrato margini di risparmio sino al65% a favore della seconda. Questo giustifi-ca il perché l’idea di realizzare reti traspa-renti, in cui il segnale attraversa tutti i nodida quello di ingresso a quello di uscita senzaconversioni intermedie, è così attraente e sti-molante. È appunto per questa ragione checosì tanti investimenti, in mezzi e risorse, so-no stati profusi negli ultimi anni nel tentativodi realizzare matrici ottiche capaci di com-mutare un segnale ottico da una porta di in-gresso ad una di uscita restando nel formatoottico e così risparmiando i costi di una ines-senziale conversione. Molte soluzioni basatesu diverse tecnologie sono state proposte,per citarne alcune: micro specchietti coman-dati da segnale elettrico (MEMS Micro Elec-trical Machine), Cristalli liquidi, bolle pro-dotte per effetto termico (Bubble thermo-optics), e molti studi sono stati effettuaticonfrontando le loro prestazioni in terminidi costo, attenuazione, dimensione e affida-bilità. Fra tutte le varie proposte, quella ba-sata sulle MEMs sembra ad oggi quella piùvalida e la sola veramente matura per appli-cazioni industriali.

Con il termine OADM si identifica normal-mente un tipo di apparato ottico in grado diintercettare un segnale WDM di tipo multi-plato e su questo di spillare (drop) e/o inse-rire (add) alcune delle N componenti (lun-ghezze d’onda), lasciando transitare inaltera-ti le rimanenti. Il sistema WDM TransXpressInfinity della Siemens, con una capacità di160 canali (lunghezze d’onda), ciascuno ingrado di trasportare sino a 10 miliardi di bital secondo (10Gbit/s), installato e già opera-tivo su una dorsale della rete dell’operatorenazionale cinese è una dimostrazione indi-scutibile dei risultati già raggiunti in questocampo.

Situazioni di blocco dovute a mancanza di convertitori di lunghezza d’onda

Un altro aspetto che condiziona la sua rea-lizzabilità e al momento riduce i benefici eco-nomici di una rete ottica trasparente è quellodella indisponibilità sul mercato di dispositivipuramente ottici capaci di variare la lunghezzad’onda su cui il segnale viaggia. Una tale fun-zionalità è richiesta laddove è necessario su-perare la situazione di blocco che si creaquando un segnale ottico ad una certa lun-ghezza d’onda contenuto in un segnale WDMraggiunge un nodo di tipo trasparente e deveproseguire in una direzione dove quella lun-ghezza d’onda è stata già utilizzata.

Vi sono 2 modi per superare una tale situa-zione di blocco.

La prima consiste nell’utilizzare molte piùlunghezze d’onda di quelle necessarie (overprovisioning) si da ridurre (senza però elimi-narla) la probabilità che una tale evenienza sipresenti. La seconda si basa sull’adozione dinodi cosiddetti ibridi, che anziché essere pura-mente ottici dispongono di alcuni dispositividi conversione di lunghezza d’onda (basati suconversione O/E/O) che vengono utilizzatiquando necessario.

Saracino SanteSiemens-CNX Spa, L’Aquila


73novembre 2003

re gli investimenti sulle reti. Gli operatori han-no la necessità di continuare ad essere compe-titivi su di un mercato sempre più aggressivo:necessità che deve tuttavia soddisfare l’obietti-vo di riduzione di Capex e di Opex e, in paral-lelo, di aumento dei ricavi.

La tecnologia del 40 Gbit/s rientra in questocontroverso scenario, garantendo da una parteun’evoluzione naturale delle reti attuali ma, altempo stesso, ponendo un vero e proprio dilem-ma: è una soluzione economicamente giustifica-bile in questo difficile contesto di mercato?

I paragrafi seguenti analizzano questo quesi-to, fornendo una panoramica sui possibili uti-lizzi del 40 Gbit/s su reti già installate ed utiliz-zando un approccio pragmatico nell’analisidell’efficienza di rete, maturità tecnologica e ri-torno sull’investimento.

Una soluzione, non una tecnologia

L’emergere della multiplazione a divisionedi lunghezza d’onda (Wavelength Division


La tecnologia 40 Gbit/s, sviluppata daMarconi Communications nei suoi labo-ratori di Ricerca e Sviluppo di Genova,non è più solamente un fiore all’oc-

chiello dell’innovazione tecnologica intesa co-me ricerca “pura”, ma una vera e propriarealtà, intesa come applicazione commercialea disposizione degli operatori per i propri futu-ri investimenti – a medio e lungo termine –nelle reti di tlc. Rimangono tuttavia aperte al-cune questioni, relative alla propagazione (inparticolar modo la dispersione dei modi di po-larizzazione (PMD – Polarisation Mode Disper-sion) ed ai costi. Di seguito viene riportataun’analisi relativa alla tecnologia, alle implica-zioni in termini di propagazione sul portantefisico e di costi: il tutto utilizzando un approc-cio pragmatico ed un’ottica di rete.

Lo scenario

Anche se il mercato delle telecomunicazionipermane critico, rimane l’esigenza di prosegui-

I quaderni di 74

La Trasmissione a 40 Gb/s per lenuove comunicazioni

Scheda interfaccia ottica a 40Gb/s.

Multiplexing – WDM) ha aperto un’ampiadiscussione fra i sostenitori dell’evoluzionedi rete tramite incremento della frequenzadi cifra sul singolo canale, ossia un aumen-to nella multiplazione a divisione di tempo(TDM-Time Division Multiplexing), e coloroche supportano un utilizzo più esteso di ca-nali paralleli in tecnologia WDM. Tale dia-triba, di stampo quasi filosofico, è stata resain qualche modo obsoleta dal mercato at-tuale, nel quale ciò che veramente conta è ilcosto “per bit” (o meglio, il costo per bit-km-W-m3).

Non esiste alcun dubbio sul fatto che unulteriore passo nel TDM possa garantire aglioperatori un vantaggio concreto, sia in am-biente SONET/SDH sia OTN (Optical Tran-sport Network). Il livello di scalabilità, flessi-bilità e capacità in termini di trasporto e ge-stione del traffico che il 40 Gbit/s è in gradodi garantire, unito alla relativa funzionalitàOTN (cioè ODU3 in uno scenario ITU-TG.709), permette un vero e proprio balzo inavanti, rispondendo alle esigenze dettate dainuovi servizi e garantendo una maggiore ef-ficienza di rete.

Il 40 Gbit/s oggi: maturitàtecnologica

Due anni fa l’applicabilità della tecnologia a40 Gbit/s su reti già installate veniva messa indubbio. Possiamo invece affermare oggi chetale tecnologia è pronta ad essere utilizzata afini commerciali non appena il mercato la ri-chiederà. L’evoluzione del 40Gbit/s è possibi-le e, aspetto ancora più importante, il proces-so di ingegnerizzazione è già partito, almenoper quanto riguarda Marconi.

Come è possibile osservare nelle seguentifigure, lo sviluppo ha portato alla definizionedi un prodotto finito, e non di prototipi, sia alivello di scheda per l’interfaccia ottica chedell’intero sistema.

Prove estensive sono state condotte sia inlaboratorio che presso importanti operatori,sia in ambito singolo canale che multi-cana-le, anche in applicazioni in cui canali a 10Gbit/s e canali 40 Gbit/s convivevano sullastessa piattaforma. Di particolare rilievo è adesempio una prova in campo effettuatapresso un importante operatore europeo, in

cui si è inviato un canale a 40 Gbit/s, insie-me ad alcuni canali a 10 Gbit/s, su una di-stanza di circa 600 km, con interessanti mar-gini di sistema.

Ciò significa che il 40 Gbit/s è di fatto utiliz-zabile già oggi. Ma cosa impedisce, allora, atale tecnologia di essere utilizzata? Due que-stioni sono ancora parzialmente aperte: unasoluzione definitiva alle problematiche di pro-pagazione ed i costi.

Il 40 Gbit/s oggi: le problematicherelative ai costi

I vantaggi sostanziali apportati agli operato-ri dalla disponibilità di canali trasmissivi a fre-quenze di cifra più elevata possono essere ap-plicati anche al 40 Gbit/s.

La possibilità di migliorare l’efficienza del-la mappatura di dati a più elevata capacità èciò che può permettere il reale decollo delleapplicazioni a larga banda, con una maggio-re efficacia in tutta la rete e la possibilità disupportare nuovi servizi con la necessariaflessibilità.

Il costo di un’intera rete è di fatto una mi-scela complessa di ingredienti diversi: il co-sto puro dell’apparato, lo spazio da esso uti-lizzato ed il relativo consumo di energia, ilcosto relativo alla propagazione ottica sulladistanza richiesta ed i costi di fornitura, ge-stione e manutenzione.


75novembre 2003

Sezione Ottica del sistema ADM256.

lumi): ciò è particolarmente vero se si tienepresente che, ovviamente, la naturale ed i-nevitabile erosione nel tempo dei costi rela-tivi al 40 Gbit/s è ancora tutta nel nostroprossimo futuro.

Raoul Fiorone Marco Camera

Marconi Communications

� La potenzialità di produzione su larga scaladi nanocomponenti a basso costo.

� La grande affidabilità dei componenti in sili-cio come conseguenza della profonda co-noscenza di questo materiale e della suagrande diffusione nell’industria dei semi-conduttori.

� La possibilità di realizzare dispositivi com-plessi capaci di operare in maniera efficien-te pur mantenendo dimensioni molto con-tenute.

� La riduzione di consumo di potenza dimolti dispositivi conseguente la loro mi-niaturizzazione.

Sarà quindi possibile, mediante tali tecno-logie, attuare anche nel caso ottico lo stessoprocesso di integrazione che per l’elettroni-ca ha portato allo sviluppo del circuito inte-grato e poi alla rivoluzione della microelet-tronica. A livello di rete ottica, ciò renderàpossibile offrire apparati per telecomunica-zione ad al te prestazioni e basso costodiffondendo quindi in maniera capillare latecnologia fotonica che oggi è per lo piùconfinata a livello alto nella rete ottica (co-municazione su grande distanza, grandi retiregionali etc.)

Pirelli prevede di introdurre commercial-mente sul mercato i primi componenti nano-strutturati già alla fine del corrente anno.

Massimo Gentili Pirelli Labs


Ad oggi la tecnologia a 40 Gbit/s non è pro-dotta su scala industriale e pertanto risulta es-sere costosa se paragonata con la stessa capa-cità a 10 Gbit/s.

Tuttavia, esistono determinate topologiedi rete e di carichi di traffico laddove unasoluzione a 40 Gbit/s può già oggi essereconsiderata ragionevole e sostenibile (adot-tando una prospettiva di produzione in vo-

Una delle sfide tecnologiche cui so-no indirizzati gli sforzi di PirelliLabs sono le nanotecnologie. Que-sto termine generico, che viene u-

sato in vari settori per definire un insieme ditecnologie capaci di eseguire manipolazionidella struttura di alcuni materiali a livello a-tomico assume, per Pirelli Labs Optical Inno-vation, un significato molto preciso. Esso sitraduce, infatti, nella possibilità di ridurre ledimensioni fisiche della componentistica ot-tica dagli attuali centimetri alla scala dei mi-cron. Ciò è effettuato mediante un insieme diprocessi tecnologici, generalmente denomi-nati nanofabbricazioni. Con la nanofabbri-cazione si controllano dettagli sino al livellodei singoli nanometri.

La piattaforma tecnologica sulla quale sifonda questa nuova classe di dispositivi è deri-vata dalle tecnologie e dai processi corrente-mente impiegati nei settori della fabbricazionedei dispositivi elettronici integrati in silicio(chip).

In altri termini si può dire che le tecnologiedi miniaturizzazione derivate dall’industria e-lettronica dei sistemi ULSI (dall’inglese, UltraLarge Scale Integration), hanno reso disponi-bile il mezzo per la realizzazione di sofisticatimicrocomponenti ottici.

Dal punto di vista funzionale, alcuni deipunti salienti associati alla dispositivistica foto-nica miniaturizzta sono:

I quaderni di 76

Le nanotecnologie per la fotonica

Isemiconduttori elettronici, e quindi la ca-pacità di controllare le correnti elettricheche fluiscono al loro interno, hanno rap-presentato la base portante della rivolu-

zione informatica che abbiamo vissuto negliultimi anni e di cui ancora oggi avvertiamo glieffetti. Il successo della moderna microelet-tronica è stato dovuto proprio alla capacità diintegrazione, sullo stesso chip, di molteplicielementi quali CPU, interfacce e memorie.Tutto questo si è tradotto in una sempre piùvantaggiosa economia di mercato la cui scala,in breve tempo, ha raggiunto una diffusionemondiale.

Così come i semiconduttori elettronici rap-presentano il cuore di questi chip e quindidei computers e di altri dispositivi di uso co-mune, altrettanto i semiconduttori di lucepotrebbero rappresentare il primo passo peruna nuova rivoluzione nel campo dell’infor-matica e delle comunicazioni del 21mo seco-lo. I fotoni, ovvero i quanti di luce, sono inuovi attori chiamati a sostituire i corrispetti-vi elettroni nel grande teatro delle modernetecnologie. Ma come funzionano questi par-ticolari materiali? Prima di affrontare questoproblema è utile fare un passo indietro e da-re una occhiata al mondo che ci circonda.Negli ultimi anni gli scienziati hanno scoper-to che l’iridescenza prodotta da alcuni ani-mali, quali ad esempio uccelli e farfalle, èspesso dovuta a microscopiche strutture reti-colari presenti in superficie in grado di riflet-tere determinate lunghezze d’onda e assor-birne altre, assumendo così differenti tona-lità di colore anche se la superficie stessa nerisultasse totalmente priva. Questo fenome-no è stato attribuito alla presenza di una

“gap di banda fotonica” indotta dalla struttu-ra reticolare periodica. Anche nell’opale, co-stituito da sfere submicrometriche di silicedisposte in una struttura compatta (cubica afacce centrate), è stata riscontrata una “gapdi banda naturale”. Come per gli uccelli eper le farfalle però tale gap non è completa,ovvero non funziona in tutte le direzioni, egenera delle iridescenze.

All’interno dei classici semiconduttori e-lettronici, la disponibilità di elettroni al disopra di una così detta “gap di banda”, cioèdi un intervallo di energie all’interno delquale agli elettroni è impedito di propagarsiattraverso il semiconduttore, e di lacune aldi sotto della stessa determina la presenza diun flusso di corrente facilmente controllabi-le. Attraverso il controllo di queste correnti èpossibile costruire semplici funzioni logichee, a partire da queste, complesse strutturerappresentanti i mattoni base dei più moder-ni processori. Allo stesso modo i “semicon-duttori di luce” possiedono una “gap di ban-da fotonica artificiale” costituita da un set dilunghezze d’onda alle quali non è permessala propagazione nel mezzo stesso, propriocome avviene, in modo incompleto, nelmondo animale.

Gli elementi base per accedere a questo ti-po di fenomenologia sono essenzialmente lapresenta di una struttura regolare e un alto in-dice di rifrazione. Il risultato è rappresentatodalla possibilità di controllare le proprietà del-la radiazione elettromagnetica in un modo as-solutamente nuovo e unico.

I cristalli fotonici possono assumere unaconfigurazione monodimensionale (1D), bi-dimensionale (2D) o tridimensionale (3D), a


77novembre 2003

I cristalli fotonici

a) Immagine di un’ala di farfalla b) Cristallo fotonico 1D (1) c) Cristallo fotonico 2D (1) d) Cristallo fotonico 3D, strutturaad Opale (2). (1) Lpn-Cnrs, Laboratory of Photonics and Nanostructures. (2) Università di Pavia.

modo è possibile ottenere analogo effettonei cristalli fotonici semplicemente introdu-cendo dei “difetti” nella struttura. Un sempli-ce difetto può essere indotto modificando,ad esempio, la dimensione di alcuni “buchi”,nel caso 2D.

Un primo utilizzo dei cristalli fotonici èquello delle guide d’onda ottiche. Queste gui-de possono essere costituite, ad esempio, dauna singola linea di cilindri mancanti all’inter-no della quale la radiazione luminosa si pro-paga indisturbata.

Importante impulso si è avuto nel campodelle sorgenti dove, grazie, ad esempio, al-l’utilizzo dei cristalli fotonici come elementiattivi dei LED si è scoperto come sia possi-bile eliminare l’emissione spontanea che sigenera al loro interno, per mezzo dellaband gap fotonica; incanalando tutta l’ener-gia nella radiazione in uscita è possibile au-mentare enormemente l’efficienza. I Laser acristallo fotonico hanno, in questi anni, ri-scosso molte attenzioni per la flessibilità di-mostrata a livello di design e ingegnerizza-zione essendo in grado di garantire la pos-sibilità di creare sorgenti che emettono o-rizzontalmente o verticalmente e che pos-sono essere facilmente incorporate all’inter-no di configurazioni tunabili a schiera (gliarrays).

Giorgio Maria Tosi Beleffi Fondazione Ugo Bordoni


seconda di come vengano costruiti. Un cri-stallo fotonico monodimensionale si ottienesemplicemente alternando strati di materialead alto indice di rifrazione con altri aventibasso indice di rifrazione in modo tale da in-durre, nel mezzo, una struttura periodica.Tale struttura, nella configurazione bidimen-sionale, si ottiene attraverso la creazione, inun generico substrato, di “forellini” di spes-sore e profondità ben determinati. In questocaso il rapporto tra la dimensione dei forelli-ni e la distanza tra i loro centri, unito ad unalto indice di rifrazione del mezzo ospite,fornisce un ulteriore strumento di manipola-zione della luce. Se le prime due configura-zioni sono ottenibili, oggi, con metodi ormaicollaudati e affidabili, stesso discorso non sipuò fare per il caso dei cristalli 3D. La ne-cessità, infatti, di possedere una struttura i-sotropa in tutte le direzioni di propagazionerappresenta la maggiore difficoltà a livellodi costruzione. Un approccio in questo sen-so è quello del così detto impilamento(stacking) dove il cristallo, in modo precisoe accurato, viene costruito strato per strato.Prendendo però spunto ancora una voltadalla natura, un differente approccio è rap-presentato dall’utilizzo di opali artificiali. Unopale consiste di piccole sfere arrangiate inuna struttura cubica a facce centrate; questastruttura genera una modulazione periodicadell’indice di rifrazione e quindi un cristallofotonico.

Così come nei semiconduttori elettronici èpossibile inserire dei livelli nella banda proi-bita tramite “drogaggio”, ovvero immissionedi atomi nel reticolo cristallino, allo stesso

I quaderni di 78

a) Esempio di guida d’onda (3), b) Esempio di filtro ottico (1), c) Esempio di Laser (4). (1) Lpn-Cnrs, Laboratory ofPhotonics and Nanostructures. (3) E. Chow et al., Opt. Lett. 26, 286 (2001). (4) Yokohama National University/BabaResearch Lab.

Le molecole organiche nelle loro varieforme (molecole leggere, catene poli-meriche) sono ormai oggetto di studiodi una nuova disciplina, l’elettronica

organica, che è una tecnologia innovativa chefa uso di molecole organiche piuttosto che deiclassici semiconduttori inorganici normalmen-te utilizzati per la realizzazione di dispositiviper le più svariate applicazioni: dai transistorai Light Emitting Devices (LED) per illumina-zione, ai componenti per le telecomunicazioniottiche e per comunicazioni radio.

I semiconduttori organici sono stati studiatifin dal 1940, ma solo recentemente stanno a-vendo un significativo impatto pratico in ap-plicazioni optoelettroniche. La dimostrazionedel funzionamento di diodi elettroluminescen-ti e di OTFT (Organic Thin Film Transistor) ba-sati sia su molecole leggere che su polimericoniugati e il grande aumento in performancee in efficienza dei dispositivi organici negli ul-timi dieci anni hanno attratto l’attenzione del-l’industria ed aperto le porte alle applicazionipratiche dei semiconduttori organici.

I vantaggi principali di tale tecnologia è lacompatibilità con sostanze plastiche, la bassatemperatura di lavorazione (60C°/120C°) ri-spetto alle temperature di crescita dei semi-conduttori tradizionali, la totale compatibilitàambientale delle tecniche di preparazione (daconfrontare con la complessità e l’elevato ri-schio per l’ambiente e per l’uomo delle tecni-che necessarie per alcuni tipi di semicondutto-ri inorganici), l’economicità dei processi depo-sitivi come lo spin-coating, l’ink-jet printing,l’evaporazione, la possibilità di realizzare di-spositivi flessibili su larga area. Nella figuraviene mostrato un prototipo di circuito inte-

grato organico realizzato su un supporto pla-stico flessibile.

Altre applicazioni per gli emettitori di lucerealizzati con semiconduttore organico riguar-dano il settore dell’illuminazione. Questi ma-teriali sono adatti, infatti, a generare sorgentidiffuse a larga area.

Una modifica delle caratteristiche di emissio-ne è possibile usando una struttura a microca-vità. Tale microcavità può essere usata per re-stringere la larghezza di banda della luce emes-sa, aumentare la purezza del colore, spostare lalunghezza d’onda nella regione del blu e dimi-nuire l’angolo di emissione aumentando il gua-dagno in una direzione. Molecole contenenti a-tomi di terre rare come erbio e neodimio sonostate usate nella fabbricazione di OLED per a-vere emissione nell’infrarosso, in particolarenelle finestre trasmissive delle fibre ottiche.

Questa proprietà coincide, quindi, con unadomanda potenzialmente elevata da parte delsettore telecomunicazioni per dispositivi elet-troluminescenti di basso costo con emissionenelle regioni della prima (800-900 nm), secon-da (1300 nm) e terza finestra (1500 nm). Perqueste lunghezze d’onda risulta particolarmen-te promettente lo sfruttamento dell’emissionedei complessi organici contenenti lantanidi,per la maggiore efficienza e purezza spettralerispetto a più tradizionali sistemi organici.

Le aree di ricerca per le applicazioni optoelet-troniche dei semiconduttori organici sono rias-sunte nella figura della pagina seguente. Il qua-dro delle conoscenze scientifiche e dei risultatipreliminari ottenuti offre buone premesse per laricerca ulteriore e il trasferimento alla regioneinfrarossa degli obbiettivi tecnologici già rag-giunti dall’elettroluminescenza del visibile.


79novembre 2003

Le eccezionali potenzialità dell’elettronica “organica”: uncircuito integrato su supporto flessibile.

A sinistra è evidenziata la possibilità di realizzare mi-crodisplay mentre a destra il prototipo della UniversalDisplay mostra le straordinarie proprietà di flessibilità deidisplay realizzati con materiali polimerici.

Elettronica organica per optoelettronica

Il grande interesse presente verso tale nuovatecnologia è testimoniato dal coinvolgimento avario titolo nel mercato, o meglio nello svilup-po, di grandi aziende multinazionali come: Ko-dak, Dupont Displays (Uniax), LG Electronics,Osram, Philips, Samsung, SDI, Sanyo, Seiko, E-pson Corporation, Sony, TDK, STMicroelectro-nics, Toshiba, Tohoku, Pioneer. In particolarela Pioneer commercializza già dal 2001 un’au-toradio con display realizzato con molecole or-ganiche elettroluminescenti. La Kodak nel cor-so del 2003 ha invece commercializzato la pri-ma fotocamera con display a LED organici.

Andrea RealeMarco Berliocchi

Aldo Di CarloDipartimento di Ingegneria Elettronica, Università

di Roma Tor Vergata

emissione bassa, e infatti a poche applicazioniin ambito industriale, e una bassa coerenzaspaziale e temporale, ed infatti il suo fascio lu-minoso si allarga a breve distanza dall’uscita,tant’è vero che spesso, e non solo nelle appli-cazioni di telecomunicazione, viene accoppia-to ad una fibra ottica che permette il trasportoa lunghe distanze della luce stessa senza per-dere intensità.

Un semiconduttore è un materiale isolante abasse temperature e che ha una debole con-ducibilità a temperatura ambiente. Esso è ca-ratterizzato dall’esistenza di una banda proibi-ta di energia, che separa la banda di valenzada quella di conduzione, la cui ampiezza è laprincipale caratteristica del semiconduttorestesso. Se ad un elettrone viene fornita l’ener-gia necessaria a saltare dal suo stato fonda-mentale, nella banda di valenza, a quello ecci-tato posto oltre la banda proibita nella bandadi conduzione, l’elettrone stesso dopo circa unnanosecondo ricadrà allo stato fondamentale,ricombinandosi con una lacuna (si veda più a-vanti nel testo) emettendo un fotone di ener-gia pari alla banda proibita. I semiconduttorihanno bande proibite di ampiezza variabile aseconda del materiale, e che corrispondonoad energie (colori) della luce che vanno dal vi-cino ultravioletto al medio infrarosso. Se nel


Tra le sorgenti di luce, i laser (LightAmplification by means of Stimula-ted Emission Radiation) costituisco-no la famiglia più affascinante e la

maggiormente sfruttabile per moderne appli-cazioni commerciali. Oggi i laser si usano nelcampo delle trasmissioni di informazione, nel-la medicina, sia in diagnostica che in cura cosìcome per estetica, nell’industria pesante, peresempio per il taglio o la fusione di lastre me-talliche, nel mondo dell’arte, sia per scopi diconservazione sia nell’uso diretto nelle opereartistiche, nel monitoraggio dell’atmosfera, onell’elettronica di svago, si pensi ai lettori CDe DVD, così some in innumerevoli applicazio-ni nel mondo della ricerca scientifica.

I laser possono venir prodotti a partire damateriali gassosi, a stato solido o a semicon-duttore. Il laser a semiconduttore presenta al-cune caratteristiche che lo rendono molto piùfacilmente utilizzabile in pratica rispetto ad al-tri tipi: esso è molto piccolo nelle dimensioni,dell’ordine di 1 mm il laser vero e proprio,due-tre centimetri il laser impacchettato nellaprotezione termo-meccanica che ne permetteanche il controllo elettrico esterno, contro ledecine di centimetri o i metri di altri tipi di la-ser; ha bisogno di correnti molto basse, decineo centinaia di mA, 100-1000 volte meno chealtri tipi di laser. Di contro ha una potenza di

I quaderni di 80

Aree di ricerca emergenti per le applicazioni optoelet-troniche dei semiconduttori organici.

I laser a semiconduttore

semiconduttore vengono eccitate un gran nu-mero di elettroni in banda di conduzione, sipuò raggiungere la condizione di inversionedi popolazione, ovvero vi sono più elettroni inbanda di conduzione che in banda di valenza.In queste condizioni avviene il meccanismo diemissione stimolata dell’emissione di luce, cheè alla base di un amplificatore di luce: un elet-trone che torna allo stato fondamentale emetteun fotone che stimola un altro elettrone a farelo stesso e così via in un meccanismo amplifi-catore. Per ottenere un laser, questo amplifica-tore va posto in una cavità risonante (semi)ri-flettente, che permette di selezionare una par-ticolare lunghezza d’onda e avere le tipichecaratteristiche spaziali di un fascio laser.

I semiconduttori possiedono la caratteri-stica di poter essere contaminati (drogati)con elementi che ne cambiano le caratteristi-che elettriche. Questi droganti possono crea-re una conducibilità di tipo n, caratterizzatada una conducibilità di tipo elettronico, op-pure da una conducibilità di tipo p, e cioèbasata sulle lacune, delle pseudoparticelleche possono essere descritte come degli e-lettroni mancanti: un elettrone che viene ec-citato nella banda di conduzione lascia inbanda di valenza una lacuna, che ha caricapositiva e che si muoverà, in presenza dicampo elettrico, in direzione opposta a quel-la in cui si muovono gli elettroni. Per ricor-dare un celebre esempio, immaginate di ave-re un parcheggio in cui vi è un unico postovuoto in prima fila e tutte gli altri posti sonooccupati: se le macchine si spostano in avan-ti, una dopo l’altra, per occupare, la primaquel posto e le altre via via il posto vuoto ge-nerato dalla macchina che precede, il movi-mento in avanti delle automobili può esserevisto come uno spostamento all’indietro delposto vuoto: la lacuna, appunto. Il processodi ricombinazione radiativa descritto sopra,viene generalmente visto come la ricombina-zione di un elettrone eccitato in banda diconduzione con una lacuna creata in bandadi valenza dall’assenza di un elettrone eccita-to. Si parla quindi in generale di ricombina-zione bipolare.

Se vengono cresciuti due strati adiacentidello stesso semiconduttore, ma uno con con-ducibilità di tipo n e l’altro con conducibilitàdi tipo p. si forma quella che viene chiamatagiunzione p-n, che è alla base dei diodi e deitransistor, che, opportunamente polarizzata,permette un forte passaggio di cariche da un

lato all’altro della giunzione, corrente che pro-voca una forte eccitazione del semiconduttoree la conseguente emissione di una intensa lu-ce. Le faccette di sfaldatura del semicondutto-re creano poi la cavità ottica necessaria.

Come abbiamo detto, i laser a semicondut-tore coprono attualmente una regione dellospettro che va dal blu all’infrarosso, nella pra-tica commerciale sono oggi disponibili sulmercato laser che vanno da 400 a 1600 nm.Laser che emettono nel rosso, nel giallo e nelblu possono essere usati contemporaneamen-te in apparecchi televisivi di moderna conce-zione, che potranno essere una valida alterna-tiva agli attuali apparecchi che funzionanocon cristalli liquidi o con plasmi. Altre appli-cazioni dei laser a semiconduttore sono le tra-smissioni ottiche dei moderni sistemi di tele-comunicazione, l’elettronica di svago (CD eDVD), applicazioni mediche come la diagno-stica non invasiva (ad esempio la misura dellaglicemia oppure la diagnosi precoce del tu-more del seno), il monitoraggio di gas (ad e-sempio per il controllo di combustioni o permisure di inquinamento).

Recentemente nei laboratori Bell della Lu-cent technology è stato sviluppato un nuovotipo di laser a semiconduttore, detto a cascataquantica, che potrà essere utilizzato sia nelcampo del monitoraggio dell’inquinamentoatmosferico, così come in quello della diagno-stica medica a microonde e nelle telecomuni-cazioni in aria. Il laser a cascata quantica si di-stingue dai laser descritti precedentemente inquanto non si tratta di un dispositivo bipolare,


81novembre 2003

Schema di funzionamento di un laser: una correnteeccita gli elettroni dallo stato fondamentale a quelloeccitato; dallo stato eccitato l’elettrone tende adecadere nello stato fondamentale emettendo un fo-tone: la luce, appunto.-Nel laser vengono eccitati ungran numero di elettroni, tanti da averne di più nellostato eccitato che in quello fondamentale. In questecondizioni, può avvenire la cosiddetta emissione sti-molata: un fotone stimola cioè un altro elettrone adecadere verso lo stato fondamentale.

L’emissione di un singolo strato di semicon-duttore, viene poi amplificato mediante l’attra-versamento di centinaia di strati uguali, alternatiad altri aventi una banda proibita più larga dellostrato emettente, e opportunamente polarizzati,fino a raggiungere le caratteristiche necessarie arealizzare un laser. Lo sfruttamento industrialedi questo laser è ancora in una fase iniziale, mail fatto che con questa tecnica si possa coprireuna regione dello spettro elettromagnetico noncoperta dai normali diodi laser, rende questonuovo dispositivo di grande interesse.

Faustino MartelliLaboratorio TASC- dell’Istituto Nazionale per la Fisica

della Materia Trieste

lità di realizzare guide d’onda a bassa perdita,una elevata non-linearità al secondo ordine (e,pertanto, la presenza di effetti elettro-ottici enon-lineari significativi), fotorifrattività, effettopiezoelettrico ed effetto piroelettrico. LN è, atutt’oggi, oggetto di una vasta ricerca, che è di-ventata di avanguardia per applicazioni in diver-si campi, come ad esempio nelle telecomunica-zioni ottiche, nei sensori ottici e nelle memorieottiche. Nuove tecniche di sintesi e di microlavo-razione per LN possono portare alla realizzazio-ne di dispositivi microstrutturati con caratteristi-che migliorate, che potrebbero potenzialmenteavere un ampio uso per la realizzazione di di-spositivi fotonici ad alte prestazioni. Ad esem-pio, campioni di LN possono essere cresciuticon una specifica composizione ed orientazione


quanto di uno unipolare: solo gli elettroni par-tecipano al processo radiativo, mentre le lacu-ne non ne sono coinvolte. Questo è reso pos-sibile dallo sfruttamento di una proprietà deisemiconduttori quando lo strato cresciuto ècosì sottile da poter essere considerato bidi-mensionale. Nello spazio bidimensionale, labanda di conduzione (ma anche quella di va-lenza) è in realtà composta da una serie di sot-tobande separate in energia per valori corri-spondenti a lunghezze d’onda maggiori di2000 nm. Il laser sfrutta il rilassamento di elet-troni eccitati in sottobande più alte verso lesottobande inferiori, con simile principio diquello descritto per la ricombinazione elettro-ne-lacuna.

Nonostante il niobato di litio sia studiato,per applicazioni in ottica integrata, daalmeno trenta anni, nuove tecniche dimicrostrutturazione consentono di mi-

gliorare le prestazioni dei dispositivi basati su talemateriale ferroelettrico. In questo contributo de-scriveremo brevemente queste nuove tecniche dimicrolavorazione; ci soffermeremo, poi, a titolodi esempio, su di un dispositivo elettro-ottico in-tegrato che sfrutta l’ingegnerizzazione dei dominiferroelettrici per migliorare le prestazioni in ter-mini di rapporto banda/tensione di modulazione.

Il Niobato di Litio (LN) è, senza dubbio, unodei materiali più ampiamente usati nelle tecno-logie fotoniche, grazie soprattutto ad una com-binazione unica di proprietà, quali un ampio in-tervallo spettrale in cui è trasparente, la possibi-

I quaderni di 82

Laser tradizionale Laser a cascata quantica

Microdispositivi fotonici in Niobatodi Litio

della struttura ferroelettrica (domini). Questicampioni, così come quelli commercialmentedisponibili, sono realizzati con proprietà lineari,non-lineari, fotorifrattive e di amplificazionescelte in base alle specifiche applicazioni.

Per quanto riguarda la realizzazione dei cri-stalli fotonici si utilizzano tecniche non tradizio-nali in ottica, ma già abbondantemente messe apunto per i semiconduttori, quali i trattamentiLaser, l’Impiantazione Ionica ad Alta Energia e itrattamenti termici a transiente, cosi come altretecniche più avanzate, quali la “scrittura” conlaser al femtosecondo e polarizzazione concampi elettrici. Infatti, l’indice di rifrazione delLN può essere cambiato usando assorbimentomultifotonico con impulsi laser al femtosecon-do, consentendo anche la realizzazione di strut-ture a guida d’onda 3D. L’uso di sorgenti laserUV ad eccimeri può alterare la superficie delmateriale per ablazione e, in tal modo, strutturecome reticoli superficiali o guide d’onda “ridge”possono essere ottenute. Un processo alternati-vo per ottenere il patterning superficiale si basasull’uso di una diversa velocità di corrosionepresentata dalle direzioni cristallografiche Z+ eZ- del LN. Se si prepara un campione, prima delprocesso di corrosione, invertendo i domini dipolarizzazione di aree selezionate, è possibileottenere microstrutture superficiali.

La risposta non lineare del LN può essereanch’essa alterata con una appropriata inver-sione dei domini ottenuta con un processo dipolarizzazione. In aggiunta, l’interferometriaolografica, congiuntamente a tecniche che

fanno di uso di corrosione chimica (o polariz-zazione) può produrre strutture “photonicbandgap” (PBG in inglese) con proprietà pe-riodiche lineari e non-lineari.

Tra le possibili applicazioni dei dispositivi sipossono elencare: commutazione/modulazio-ne elettro-ottica integrata con dominio inge-gnerizzato ad onda viaggiante, conversione difrequenza con alta efficienza e risposta in fre-quenza calibrata, guide d’onda “ridge” per mo-dulazione elettro-ottica a basso voltaggio,“grooves” di tipo quadrato poco sensibili a driftpiroelettrico e danneggiamento fotorifrattivoper allineamento e ottimizzazione dell’accop-piamento di guide d’onda e fibre. Questi dispo-sitivi ottimizzati e miniaturizzati possono essereanche incorporati in spettrometri ad alta sensi-bilità per rivelazione in traccia e in sistemi perla generazione efficiente di coppie di fotoni ac-coppiati in tempo ed energia, usando processidi conversione parametrica. Microstrutturazionispinte sono in fase di studio; ci si propone stu-diare i limiti per la definizione di “patterns” sialineari che non-lineari, cercando di determinarequanto piccola può essere la dimensione diuna cella elementare e quali sono i limiti fisiciche la determinano. Se si riuscissero a realizza-re buche sub-micrometriche periodiche consufficiente profondità in film sottili di LN, sareb-be allora possibile ottenere circuiti ottici inte-grati 2-D ad alta densità mentre la realizzazionedi domini submicrometrici potrebbe consenti-re, per la prima volta, di osservare oscillazioneparametrica ottica senza uso di specchi.


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Confronto delle risposte elettro-ottiche di un modulatore convenzionale con uno che presenta i domini invertiti nell’ulti-mo tratto della linea modulante. È evidente il miglioramento delle prestazioni, rispettivamente, a parità di banda e a par-

ze modulanti. Più precisamente, l’effetto dellaregione con i domini invertiti agisce selettiva-mente solo alle basse frequenze modulanti;l’ottimizzazione del rapporto della sua lunghez-za con quella complessiva della linea modulan-te permette dunque un appiattimento della ri-sposta in frequenza del dispositivo come mo-strato in figura. In questo modo è possibile rea-lizzare modulatori con un rapporto banda/ten-sione di pilotaggio superiore anche del 30% ri-spetto a quello di un modulatore che presentauna linea standard senza inversione dei domini.

Federico LucchiValerio Pruneti

Avanex Corporation – Sede Secondaria, San DonatoMilanese (MI)

vi che hanno mostrato le migliori prestazionisono quelli al Niobato di Litio e quelli con am-plificatori a semiconduttore.

Per mostrare le potenzialità del processo diconversione, la guida in LN è stata utilizzata inun esperimento di trasmissione di più canali a 40Gb/s in un collegamento in fibra ottica tra Romae Pomezia. Per dimostrare la potenzialità su col-legamenti anche molto lunghi le fibre contenutenel cavo sono state connesse in modo da emula-re un collegamento complessivo di 500 km. Tra-mite questo convertitore si è cambiata la fre-quenza di un canale dopo un primo percorsolungo 300 km e si sono misurate le prestazioni diquesto segnale dopo la sua propagazione per al-tri 200 km. I risultati hanno mostrato che non e-rano presenti apprezzabili deterioramenti del se-gnale dopo la conversione di frequenza anchein presenza di una lunga propagazione. Questirisultati sono molto incoraggianti e ci permetto-no di affermare che la conversione ottica di fre-quenza è ormai un processo su cui le future retidi telecomunicazione possono contare.

Paola GriggioUniversità di Padova

Alessandro Schiffini PirelliLABS

Sergio CascelliISCTI


Come esempio di applicazione che sfruttal’ingegnerizzazione tramite polarizzazione elet-trica (poling) riportiamo un modulatore elettro-ottico integrato dove l’interazione tra l’onda ot-tica e la micro-onda modulante avviene, all’in-terno del LN, in due regioni successive construttura ferroelettrica invertita (o domini inver-titi) una rispetto all’altra. In tale configurazione,nell’ipotesi in cui la banda del modulatore sialimitata dalle perdite della linea a microonde,ossia in condizioni di uguaglianza degli indicidi rifrazione per le frequenza ottiche e per la li-nea a microonde (phase velocity matching), lapresenza della regione finale con i domini in-vertiti rispetto a quella iniziale ha un effetto diequalizzazione delle variazioni di fase indottesull’onda ottica dalle basse e dalle alte frequen-

Come è stato descritto in un preceden-te articolo, la spostamento nel domi-nio della frequenza, a livello tutto ot-tico, di un segnale sarebbe un requi-

sito fondamentale per le future reti di teleco-municazione. Basti pensare ad esempio all’im-portanza di poter allocare i canali nella tra-smissione WDM secondo criteri di occupazio-ne che possono cambiare da un collegamentoad un altro. Attualmente sono stati sperimen-tati diversi dispositivi che permettono la rea-lizzazione di questo processo tutto a livello ot-tico. Nell’ambito del progetto Europeo IST A-TLAS (2000-2002) sono stati studiati e speri-mentati ben quattro diversi tipi di convertitoridi frequenza ottici e basati sui seguenti dispo-sitivi: guida d’onda in Niobato di Litio (LN),amplificatore a semiconduttore (SOA), ampli-ficatore Multi Quantum Well (MQW) e fibra ot-tica con dispersione spostata (DS). Tutti questidispositivi hanno mostrato delle eccellentiprestazioni e molte informazioni possono es-sere trovate nel sito (www.fub.it/atlas). Inparticolare è stato dimostrato che inserendo inquesti dispositivi un canale che trasportavadella informazione anche ad altissima capacità(40 Gb/s) era possibile cambiare la frequenzaottica del segnale, anche in un intervallo mol-to ampio di frequenze (decine di nanometri)senza produrre sul segnale di uscita delle ap-prezzabili distorsioni. In particolare i dispositi-

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La conversione tutta ottica di frequenza

Idispositivi ottici illustrati sino ad ora,anche se presentano delle prestazionieccellenti, hanno una limitazione checonsiste nell’assoluta mancanza di fles-

sibilità dei circuiti basati sulle varie strutturefino ad ora riportate. Se da una parte, infatti,la tecnologia e i processi di ingegnerizzazio-ne ad essi collegati sono ormai maturi equindi poco costosi, dall’altra si manifestauna impossibilità di adattare e modificare, aseconda delle esigenze del momento, lastruttura interna guidante una volta che que-sta sia stata impressa sul wafer. Il traguardoda raggiungere quindi, parallelamente alcontinuo raffinamento delle tecniche sin quimenzionate, è quello di ottenere un disposi-tivo completamente riconfigurabile a livelloottico. La flessibilità, in questo caso, sarebbetotale potendosi utilizzare lo stesso mezzo o-spite per ottenere diverse tipologie di dispo-sitivi fotonici semplicemente cancellando ipre-esistenti circuiti ottici interni e scriven-done altri completamente diversi ma adattialle sopraggiunte necessità.

In questo panorama, tra la moltitudine dipossibili attori, si collocano i solitoni spazialifotorifrattivi.

Ma cos’è un solitone spaziale e come funzio-na l’effetto fotorifrattivo? Quando un fascio diluce si propaga nello spazio tende, a causa del-l’effetto noto come diffrazione, ad allargarsilungo il suo cammino e tale effetto è tanto piùevidente quanto più le dimensioni del fascio ri-sultano piccole. Questo effetto sembrerebbe in-sormontabile da superare se non si facesse usodella forte non linearità presente, sotto certecondizioni, in particolari cristalli. Quando la lu-

ce si propaga in questi mezzi è in grado, ioniz-zando le impurità presenti al loro interno, dipromuovere delle transizioni dai siti donori,presenti in opportune concentrazioni, alla ban-da di conduzione. Gli elettroni tenderanno cosìa muoversi, per effetto della diffusione e deldrift, e a ricombinarsi dando luogo ad un cosìdetto campo interno di carica spaziale. Il sud-detto campo è in grado di modulare l’indice dirifrazione del mezzo in maniera non trascurabi-le generando un cammino (pattern) focalizzan-te. Il bilanciamento, quindi, tra la naturale dif-frazione e l’auto focalizzazione del fascio da o-rigine ad un’onda solitonica, ad una guida otti-ca letteralmente “scritta” dentro il cristallo.

I fattori in gioco che permettono di rag-giungere questo risultato sono quindi da ri-cercarsi nella presenza di un fascio otticocon una opportuna intensità e lunghezzad’onda (tipicamente nella regione del visibi-le), in grado cioè di promuovere elettroni inbanda di conduzione, un voltaggio staticoapplicato, atto a pesare opportunamente ilcampo elettrico interno indotto dalla separa-zione delle cariche, ed una temperatura ade-guata, per ottenere la più alta risposta possi-bile dal mezzo.

Il concetto importante da tenere presente,in questo tipo di fenomenologia, è che spe-gnendo il nostro segnale in fase di scrittura,ovvero togliendo la nostra penna dal foglio,la guida, così come un testo appena scritto,continua a rimanere li dove l’abbiamo im-pressa; questo perché una volta separate, lecariche rimangono in questa loro nuova po-sizione a meno che non vengano illuminatecon una sorgente luminosa la cui lunghezzad’onda sia in grado di promuovere nuove


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I Fotorifrattivi

Particolare del cristallo fotorifrattivo utilizzato presso i laboratori Fondazione Ugo Bordoni- ISCTI e risultati sperimentali.

Attualmente i cristalli fotorefrattivi vengonoutilizzati per la realizzazione di guide confina-te e giunzioni ad Y oscillanti, ma in principiopossono però permettere la realizzazione dialtri dispositivi come ad esempio gli opticalcross connect.

Giorgio Maria Tosi BeleffiFondazione Ugo Bordoni

In questo contesto, nasce il problema di ot-timizzare (in termini di costi, velocità e qua-lità) la rete di trasporto ottico per integrare ser-vizi sia a livello IP/MPLS sia direttamente basa-ti su circuiti ottici.Risulta quindi naturale con-siderare come soluzione, l’estensione del pa-radigma di controllo dello strato IP/MPLS an-che allo strato ottico, in modo da consentireuna gestione integrata di entrambi gli strati, inuna architettura di tipo ASON (AutomaticallySwitched Optical Network) basata su proto-colli GMPLS (Generalised Multi-Protocol LabelSwitching).

In particolare ASON è l’acronimo adottatoin ITU-T per indicare reti ottiche (sia SDH sia


transizioni elettroniche. La presenza o l’as-senza di un voltaggio applicato fa si che nelcristallo si manifesti, o rimanga quiescente,la distribuzione di carica creata proprio co-me l’inchiostro “simpatico” è in grado di farapparire, su un foglio apparentemente privodi simboli, un frase o un intero testo se op-portunamente sottoposto ad uno stimolo e-sterno.

L avvento dell’era dell’informazione staproducendo una costante crescita deltraffico dati. Il MultiProtocol LabelSwitching (MPLS) è una soluzione

flessibile e scalabile per soddisfare i requisitidi gestione della banda e di qualità del servi-zio nelle reti backbone di nuova generazionebasate su IP (IP/MPLS). Il concetto fondamen-tale è quello di associare un’etichetta (label) aciascun pacchetto che attraversa la rete sepa-rando la componente della decisione di in-stradamento, gestita dai protocolli IP, da quel-la dell’effettiva attuazione dello smistamentodei pacchetti gestita tramite la commutazionedi etichetta.

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Il piano di controllo ottico delle retiASON/GMPLS

L’

Scenario di rete di riferimento.

OTN) dotate di un piano di controllo, il quale,grazie a protocolli di segnalazione e routing,consente l’instaurazione e la riconfigurazioneautomatica di connessioni ottiche. GMPLS èinvece un termine coniato in IETF (InternetEngineering Task Force) per indicare un’archi-tettura di rete ed un insieme di protocolli, tipi-camente espansione di protocolli definiti perIP/MPLS, che consentono il controllo di appa-rati per l’instradamento di pacchetti e circuiti.

La principale caratteristica di una rete otticaASON è la capacità di realizzare tre tipi di con-nessioni end-to-end cosiddette permanent,soft-permanent e switched.

In particolare, una connessione permanentè creata dal sistema di gestione (o dall’inter-vento umano) configurando ogni apparatolungo il percorso. Una connessione soft-per-manent è sempre creata dal sistema di gestio-ne, tuttavia questa volta configurando il soloapparato iniziale; quest’ultimo, poi, attraversoil piano di controllo ottico, ovvero usando lasegnalazione ed i protocolli di routing, stabili-sce la connessione end-to-end. Una connes-sione switched può essere richiesta diretta-mente da un apparato della rete client (ad e-sempio IP/MPLS o addirittura dal cliente stes-so) e viene instaurata attraverso la comunica-zione tra i piani di controllo.

Nella figura sotto si riporta uno scenario diriferimento dove la rete ASON agisce comestrato server per diverse reti client, ad esempioIP/MPLS, SDH, circuiti ottici nativi (OpticalTransport Hierarchy-OTH).

L’architettura di una rete ottica ASON/GM-PLS prevede tre piani funzionali rispettiva-mente per il trasporto, la gestione ed il con-trollo di rete:

� Il piano di trasporto permette il trasferimen-to sia del traffico sia delle informazioni di con-trollo e gestione di rete. Inoltre il piano di tra-sporto rileva informazioni sullo stato delle con-nessioni (ad es. guasti e qualità del segnale).� Il piano di gestione esegue funzioni di ge-stione dei guasti, di controllo delle prestazio-ni, di configurazione, di accounting e di sicu-rezza per i piani di trasporto e controllo.� Il piano di controllo può creare ed abbatte-re dinamicamente circuiti soft-permanent eswitched e può restaurare le connessioni in ca-so di guasto. Inoltre il piano di controllo tra-sporta anche le informazioni sullo stato deilink di rete (ad es. adiacenze, capacità dispo-nibile, ecc.).

In questa sezione l’attenzione verrà focaliz-zata sul piano di controllo, che costituisce l’e-lemento innovativo su cui si basa la cosiddettaintelligenza distribuita delle reti ASON/GM-PLS. L’architettura del piano di controllo è de-scritta dalla Raccomandazione ITU-T G.8080[1] in termini di componenti, ovvero di entitàastratte che realizzano determinate funziona-lità attraverso una o più interfacce.

Le tre funzionalità di base realizzate dal Pia-no di Controllo sono Resource Discovery,Routing, Connection Management. La funzio-nalità di resource discovery consente l’indivi-duazione e l’inventario automatici delle risor-se di rete come ad esempio porte, banda e ca-pacità di multiplazione, ecc. La funzionalità dirouting consente di determinare l’instrada-mento dei circuiti (anche secondo strategie ditraffic engineering/capacity management) edi fornire informazioni sugli elementi di topo-logia di rete individuati. La funzionalità diconnection management consente l’instaura-zione/abbattimento ed il controllo end-to-enddei circuiti; essa include anche la modifica el’interrogazione dello stato delle connessioni.

Queste tre funzionalità di base consentonodi introdurre funzioni di rete complesse quali:� Ri-stabilimento veloce della connesssione� Provisioning automatico di connessionisoft-permanent� Capacity Management (intesa come insie-me di tecniche per l’introduzione automaticadi nuova capacità in rete e per l’utilizzo otti-male della capacità disponibile)

Queste funzionalità complesse sarannomolto probabilmente le prime funzionalità in-novative introdotte in rete grazie alle soluzioniASON/GMPLS.

In generale, si può concludere che l’intro-duzione in rete delle funzionalità abilitate dalpiano di controllo potrà avere un influenza siasull’automazione dei processi sia sul controllointegrato dei due strati, IP/MPLS e ottico. Co-me precedentemente indicato, l’introduzionedi queste funzionalità potrebbe avere un sen-sibile impatto nel contenimento dei CAPEX,nella riduzione degli OPEX e nell’introduzionedi nuove tipologie di servizi, caratterizzate daelevata flessibilità e adattabilità ai requisiti delcliente (Bandwidth on Demand, Optical Vir-tual Private Networks, ecc.).

Antonio ManzaliniTelecom Italia Lab


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� La elevate larghezze delle bande di frequen-ze istantanea ed operativa (si và dalle centi-naia di KHz alle decine di GHz);

� La elevata dinamica dei segnali, ovvero lanotevole differenza nelle intensità tra il piùdebole ed il più intenso segnale da gestire;

� La compatibilità elettromagnetica, ovvero lacapacità di non avere interferenze tra le va-rie funzioni operative a diverse frequenze.

La fotonica rappresenta una delle tecnologieche più di altre sono in grado di determinare lafattibilità o meno di soluzioni architetturali in gra-do di rispondere ai nuovi requisiti, grazie ai note-voli vantaggi offerti nell’utilizzare la radiazioneottica, opportunamente modulata, per elaboraree trasportare per mezzo di fibre ottiche i segnali amicro-onde utilizzati nei sistemi radar. Tra questivantaggi i seguenti sono tra i più significativi: � larghissima banda istantanea ed operativa

(> 40 GHz);� perdite di segnale praticamente indipenden-

ti dalla lunghezza della fibra (0.2 dB/km);


Lo scenario dei sistemi radar e di EW (E-lectronic Warfare) stà sommando al na-turale elevato tasso di crescita nella com-plessità e nelle prestazioni, un profondo

mutamento nei requisiti. In questo mutamentogli elementi trainanti possono essere sintetica-mente individuati nella introduzione delle an-tenne ad array attivo, in sostituzione delle tradi-zionali antenne a parabola, nel progressivo pas-saggio dalla elaborazione analogica a quella di-gitale dei segnali e nella richiesta di multifunzio-nalità integrata in un unico apparato.

Quest’ultimo requisito è spinto oltre chedall’obiettivo di riduzione dei costi, dalla esi-genza di sostituire con una sola antenna le va-rie antenne che in uno ambiente applicativo,come ad esempio una nave, svolgono le diver-se funzioni di scoperta a lungo raggio, control-lo del tiro, comunicazioni, contromisure…

Per sostenere queste radicali evoluzioni deisistemi radar sono necessarie soluzioni tecno-logiche radicalmente innovative in grado di af-frontare e risolvere problemi chiave quali:

I quaderni di 88

La fotonica nei sistemi radar di nuova generazione

Rappresentazione di antenna multifunzionale in applicazione navale.

� assenza di dispersione, ovvero comporta-mento indipendente dalla frequenza del se-gnale modulante;

� stabilità di fase ed ampiezza;� elevata immunità da disturbi elettromagnetici;� assenza di generazione di disturbi elettro-

magnetici;� ridotti ingombri e pesi.

È possibile stabilire una simmetria tra i com-ponenti circuitali elettronici e quelli di un cir-cuito fotonico, e quindi immaginare come lafotonica possa sostituirsi nei sistemi elettroniciin applicazioni quali:

� la remotizzazione di antenne (attraversolink in fibra ottica);

� la distribuzione ed elaborazione di segnaliin antenne ad array attivo (optical beam for-ming network);

� la realizzazione di linee di ritardo;� i trasponder per la calibrazione di antenne;� l’analisi spettrale dei segnali ricevuti in tem-

po reale;� la generazione di frequenze RF, micro-onde

e millimetriche;� il filtraggio del segnale;� la conversione A-D ad elevatissima velocità

(BW > 20 GHz).Nelle antenne ad array attivo il singolo emet-

titore di elevata potenza associato alla parabolariflettente, tipico delle antenne tradizionali, vie-ne sostituito da un array planare popolato daun elevato numero (da poche centinaia a qual-

che migliaio) di più piccoli moduli che riprodu-cono in scala tutte le funzioni di trasmissione ericezione dell’antenna. Tra le caratteristiche piùinnovative delle antenne ad array attivo è lapossibilità di variare la direzione di emissionedel fascio senza muovere fisicamente l’antenna,semplicemente controllando la fase relativa diemissione tra i vari moduli.

Si pone quindi il problema di distribuire isegnali da emettere ai vari moduli. Una rete didistribuzione in cavo od in guida risulta pe-sante, costosa ed intrinsecamente a bandastretta, quindi inadatta ai requisiti di banda deiradar multifunzionali. Una rete di distribuzio-ne in fibra ottica consente il superamento deilimiti di banda unitamente al notevole allegge-


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Simmetria tra componenti elettronici e fotonici.

Schema di distribuzione in fibra ottica dei segnali in antenna ad array attivo.


I quaderni di 90

Schema di canale ricevente digitale supportato da tecnologie fotoniche.

dalla velocità dei segnali da convertire da analo-gici a digitali. Soluzioni fotoniche consentono dimoltiplicare di 10-100 volte la capacità di cam-pionamento dei convertitori analogico digitali e-lettronici, consentendo la conversione di segna-li di frequenza fino a 18-20 GHz. L’elevato nu-mero di moduli in antenna e la necessità di tra-sportare i dati digitali alle unità centrali di elabo-razione, pone seri problemi nella trasmissionedi questa enorme masa di dati. Soluzioni in fibraottica, che utilizzano approcci in uso nelle reticommerciali in fibra ottica, consentono il supe-ramento di questi problemi. Mentre calcolatoritutto-ottici consentono successivamente la velo-ce elaborazione parallela di questi dati.

Mauro Varasi AMS, Roma

tive TV ed accesso. Il piano strategico prevedeanche la fornitura di altri servizi a larga banda(accesso a backbone IP, tele educazione, tele-medicina, contributi multimediali…) in aree perle quali non si prevede o non si ritiene econo-micamente vantaggioso portare, nel breve-me-dio periodo, l’infrastruttura terrestre. Le caratte-

rimento strutturale della rete. In aggiunta latrasmissione dei segnali sulla portante otticaoffre opportunità anche in termini di elabora-zione, consentendo operazioni come il con-trollo del ritardo temporale relativo tra i segna-li distribuiti ad i moduli, operazioni di filtro ecomunque eliminando la necessità di operaretraslazioni in banda spesso necessarie nella e-laborazione tutto-elettronica.

La efficacia della tecnologia fotonica nella so-luzione di problemi complessi, spesso non altri-menti solubili, si concretizza non solo nella ela-borazione di segnali analogici, ma anche nel-l’ambito dei segnali digitali. Lo sviluppo dei si-stemi radar prevede anche la progressiva migra-zione dalla elaborazione analogica dei segnali aquella digitale. In questa direzione un primo o-stacolo è costituito dalla banda larga, e quindi

Telespazio è attiva da tempo nel settoredell’integrazione della banda larga conil satellite. A questo scopo è già nelpiano strategico dell’impresa il cablag-

gio in fibra ottica della stazione spaziale del Fu-cino, che prevede la disponibilità di collega-menti SDH per la diffusione di servizi di interac-

Satellite e fibra per la larga banda a tutti

ristiche intrinseche del satellite, unitamente allacaduta progressiva dei costi di gestione, permet-tono di dispiegare con notevole rapidità tali ser-vizi dove sia necessario, rendendo l’offerta sa-tellitare complementare e “simbiotica” con quel-la terrestre.

Un esempio pratico dei vantaggi relativi allaintegrazione tra il satellite e le reti a banda lar-ga (e quindi alle reti in fibra) è fornito da unprogetto di collaborazione tra la Telespazio, ilMIUR (Ministero dell’Istruzione, dell’Univer-sità e della Ricerca) e la Fondazione Ugo Bor-doni per fornire servizi multimediali a SanGiuliano in Molise, facendo seguito ad una i-niziativa di carattere istituzionale.

L’iniziativa realizzata in Molise rientra in unaserie di attività che vedono Telespazio, Fonda-zione Bordoni e MIUR impegnati nella speri-mentazione e nella realizzazione di accessi abanda larga senza limitazioni di natura geogra-

Isensori in fibra ottica trovano ormai innu-merevoli applicazioni nei settori più svaria-ti che spaziano dalla biologia alla metrolo-gia, dalla chimica all’ingegneria strutturale.

Va osservato come talvolta dietro la dizione“sensore in fibra ottica” si celino sensori “tradi-zionali” che traendo vantaggio dall’impiego del-le fibre ottiche hanno potuto raggiungere eleva-ta miniaturizzazione e portabilità. Per tali senso-ri la fibra ottica svolge ‘semplicementè il ruolodi connettere l’elemento sensibile, che talvolta èrealizzato direttamente nel corpo della fibra otti-ca stessa, al sistema di analisi. È questo il caso disensori per la determinazione della concentra-zione di specie chimiche in cui l’elemento sensi-bile è una microscopica cavità che viene immer-sa nel fluido da analizzare ed il sistema di analisiè uno spettrometro: la fibra ottica svolge il ruolodi trasportare alla cavità il fascio di luce che ec-cita la specie chimica ricercata ed il ruolo di tra-sportare allo spettrometro la luce emessa perconsentirne l’individuazione. Per contro, nel ca-so dei sensori in fibra ottica che trovano appli-cazioni nel campo del monitoraggio termico estrutturale si potrebbe sicuramente adottare la

fica. Di particolare interesse potranno essere lerealizzazioni presso le isole minori italiane e lecomunità montane. La rete installata presso lascuola di San Giuliano utilizza FullSAT, un siste-ma innovativo integrato nella Piattaforma mul-timediale Evolv-e di Telespazio. Il sistema for-nisce servizi di connettività in protocollo IP e-sclusivamente via satellite, utilizzando paraboledi piccole dimensioni (97cm). Il satellite utiliz-zato è l’Eutelsat W3, che copre l’intera Europa eil bacino mediterraneo. Tra i principali vantaggigarantiti da FullSAT vi è la possibilità di poterdisporre di soluzioni “ADSL like” anche dovenon esiste una adeguata infrastruttura terrestree, inoltre, di poter godere di una serie di servizia “valore aggiunto” che vanno ben oltre la sem-plice connettività su IP.

Lorenzo RonzittiTelespazio s.p.a.

dizione di “sensori in fibra ottica propriamentedetti” in quanto il funzionamento di tali sensorisi basa direttamente sulla interazione fra la ra-diazione ottica che si propaga nella fibra ottica ela fibra ottica stessa.

I sensori in fibra ottica per applicazioni di mo-nitoraggio strutturale possono essere suddivisi indue grandi categorie a seconda se l’elementosenziente sia presente in tutta la fibra ottica op-pure localizzato in alcuni specifici punti oppor-tunamente trattati, come vedremo. Fra i primi,chiamati appunto di tipo distribuito, quelli chehanno raggiunto un maggior livello di maturitàtecnologica sono sensori R-OTDR (Raman Opti-cal Time Domain Reflectometry) e B-OTDR(Brillouin Optical Time Domain Reflectometry).

Questi due tipi di sensori si basano sul fe-nomeno della retro-diffusione, backscattering:la luce che si propaga lungo la fibra ottica, in-teragendo lungo il proprio cammino con ilmateriale che costituisce la fibra ottica stessa,viene in parte diffusa e genera un debole flus-so di luce che si propaga in direzione opposta,indietro lungo la fibra. La lunghezza d’ondadella luce retro-diffusa è funzione della tem-


91novembre 2003

Sensori in fibra ottica per il monitoraggio strutturale

retro-riflettere soltanto luce di una particolarelunghezza d’onda. È possibile realizzare piùsensori FBG su di una stessa fibra, avendo curache la lunghezza d’onda retro-riflessa dai varisensori non si sovrapponga; la separazione mi-nima di due sensori FBG disposti su di una stes-sa fibra può essere anche di pochi millimetri.

Il grande interesse per i sensori in fibra otticaper monitoraggio strutturale risiede nelle pecu-liari caratteristiche delle fibre ottiche che posso-no facilmente essere integrate all’interno deimateriali più vari, come ad esempio compositipolimerici, metalli, materiali ceramici, calce-struzzo. È fondamentale per poter effettuare mi-sure affidabili di deformazione strutturale che lafibra ottica e conseguentemente il sensore ade-risca perfettamente al materiale ospitante.

A titolo di esempio si riportano i risultati diinglobamento di un sensore in fibra ottica inmateriale composito nella seguente figura.

In particolare si nota la fibra ottica inseritatra due strati di composito rinforzato in fibra dicarbonio. Da qualche anno è nato un nuovosettore di ricerca che viene identificato con di-versi nomi quali quello di strutture intelligenti,strutture adattative (dall’inglese adaptive) o at-tive o con il termine inglese, difficilmente tra-ducibile in maniera diversa dai precedenti vo-caboli, di “smart structures”.

I vantaggi dei sensori sopradescritti per le ap-plicazioni di monitoraggio strutturale rispetto a


peratura e dello stato tensionale della fibra ot-tica, ovvero dei parametri foto-termo-elasticidel materiale che costituisce la fibra ottica (fe-nomeno descritto come effetto Raman ed ef-fetto Brillouin). È sufficiente che la temperatu-ra o lo stato tensionale di un segmento di fibravarino, perché si generi una corrispondentevariazione della lunghezza d’onda della luceretro-diffusa da quel segmento di fibra.

Per determinare la posizione del segmentodi fibra che produce il segnale di una particola-re lunghezza d’onda, e quindi il punto dellastruttura monitorata in cui si ha la corrispon-dente temperatura o stato tensionale, si utilizzauna sorgente laser pulsata. Inviando nella fibraottica brevi impulsi laser e misurando il tempodi ritardo fra l’invio dell’impulso e l’arrivo dellaluce retro-riflessa, è possibile determinare laposizione del segmento di fibra che produce ilsegnale con risoluzioni dell’ordine del metro.

Nella seconda categoria, di tipo quasi distri-buito, i sensori che hanno raggiunto un maggiorlivello di maturità tecnologica sono rappresen-tati dai sensori FBG (Fiber Bragg Grating). Que-st’ultimi sono realizzati modificando opportuna-mente l’indice di rifrazione di un piccolo seg-mento della fibra ottica, tipicamente della lun-ghezza di 5 mm. La modifica dell’indice di rifra-zione che si realizza consiste nella produzionedi un reticolo di diffrazione (reticolo di Bragg)che si comporta come uno specchio in grado di

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Fibra ottica inglobata in materiale composito polimerico in fibra di carbonio.

quelli tradizionali di tipo elettrico sono innumere-voli: i) immuntà da interferenze elettromagneti-che in quanto il segnale è ottico; ii) isolanti equindi possono essere inseriti o incollati sui me-talli senza particolari precauzioni di tipo elettricoe non conducono elettricità prodotta ad esempioda fulmini; iii) ridottissimo ingombro essendo in-tegrati all’interno della fibra ottica; iv) notevolestabilità ed affidabilità che rende superflua ogniricalibrazione del sistema di misura nel tempo,ciò grazie al principio di misura che è di tipo spet-

Cristalli liquidi, una strana coppia di pa-role, ma allo stesso tempo affascinan-te! A scuola ci hanno insegnato che lamateria si presenta in tre possibili stati,

gassoso, liquido o solido. Dal 1888 sappiamoche non è più così, quando il botanico austria-co Friedrich Reinitzer osservò al microscopioche l’estere benzoico del colesterolo presenta-va due temperature di fusione.

Tra queste due temperature vicine tra loro maben distinte la sostanza osservata da Reinitzer davaluogo ad effetti ottici al microscopio che sono tipi-ci di entrambi le fasi liquida e solida, pertanto perquello strano stato della materia, che sussisteva inun intervallo di temperatura di pochi gradi centi-gradi, venne coniato il termine di “fase liquido cri-stallina”. Più tardi si scoprì che numerose altre so-stanze organiche possono esistere in una sequen-za di fasi intermedie (o fasi mesomorfiche o meso-fasi) tra quella liquida e quella solida, come la fasenematica e varie fasi smectiche (dal greco “smeg-ma” che significa “sapone” le cui proprietà mecca-niche sono simili a certi cristalli liquidi) come mo-strato nella figura. Le molecole organiche checompongono i cristalli liquidi, di forma general-mente allungata simile a dei bastoncini, dette an-che molecole calamitiche, si aggregano in modopiù ordinato che nei liquidi quasi come nei solidi.D’altro canto come i liquidi, i cristalli liquidi hannobisogno di un “recipiente” che ne possa contenereuna determinata quantità.

Dalla fase liquida l’ordine delle molecole crescediminuendo la temperatura in un intervallo termi-co generalmente di pochi gradi centigradi, dandoluogo alle varie fasi liquido cristalline, fino a rag-

trale; v) una sola fibra può monitorare un elevatonumero di punti della struttura, trattandosi di unsensore distribuito o collegando in serie diversisensori quasi distribuiti (multiplexing), cosa checonsente una notevole semplificazione dei ca-blaggi per il trasporto del segnale, vi) buona resi-stenza in ambienti aggressivi ed alla corrosione,vii) utilizzabili anche a temperature di 400-500 °C.

Andrea FellegaraMichele A. Caponero

Antonio Paolozzi

giungere la struttura ordinata e rigida tipica dei so-lidi. La tecnologia degli schermi a cristallo liquido(o LCD: Liquid Crystal Display) ha conosciuto unanotevole evoluzione grazie alla produzione di so-stanze in cui la fase liquido cristallina nematica esi-ste su un intervallo di temperature molto ampiotra 0°C e oltre 60°C, rendendo possibile l’utilizzodei cristalli liquidi nella vita quotidiana in disposi-tivi come gli orologi da polso che potessero fun-zionare nella maggior parte del globo terrestre.

Oltre che negli orologi gli schermi a cristalloliquido sono oggi molto diffusi in monitor dicomputer, display di bilance elettroniche, com-puter palmari, navigatori per auto, video giochie in tanti altri sistemi elettronici. Gli schermipiatti a cristallo liquido sono anche in grado diriprodurre immagini televisive, con milioni dicolori con le stesse prestazioni dei vecchi ed in-gombranti schermi basati su tubi a raggi catodi-ci (CRT: Cathodic Ray Tubes).

Ma come funziona uno schermo a cristallo li-quido? Il principio di funzionamento è basatosulle proprietà delle molecole liquido-cristallinedi interagire con la luce. Per poter sfruttare que-sta proprietà ai fini di realizzare un display, ilcristallo liquido è racchiuso in una cella costitui-ta da diversi elementi come riportato nella figu-ra della pagina seguente, dove è riportato sia ilprincipio di funzionamento che la struttura diuna cella a cristallo liquido nematico ritorto (oTN: Twisted Nematic) utilizzata per realizzare lamaggior parte degli LCD dei computer portatili.

Uno schermo piatto è costituito da una cop-pia di lastre di vetro distanziate tra loro di pochimicron (ovvero pochi millesimi di millimetro) a


93novembre 2003

I cristalli liquidi: la tecnologia dello stato delicato della materia

sorgente vedrà un segnale di luce (stato di bian-co). Applicando un segnale di tensione di pochivolt alla cella le molecole perdono il delicato o-rientamento imposto dal film di allineamento,per disporsi perpendicolarmente alla cella. Ilcampo elettrico del fascio di luce polarizzato, cheattraversa la cella, non subirà alcuna rotazione edincontrando il secondo polarizzatore, orientatoperpendicolarmente ad esso, non sarà in gradodi completare l’attraversamento della cella cheapparirà scura all’osservatore (stato di nero).Cambiando con continuità la tensione applicataalla cella a cristallo liquido l’orientamento dellemolecole può variare tra le due posizioni congradualità producendo una scala di grigi tra bian-co e nero. Oltre ai polarizzatori si usano, in corri-spondenza di ciascun pixel, anche tre filtri di co-lore rosso verde e blu, i tre colori fondamentali,con cui possono essere creati tutti i possibili co-lori, combinando opportunamente le intensitàluminose che attraversano i pixel.

Le celle a cristallo liquido sono in grado di inte-ragire non solo con luce che cade nello spettrodel visibile ma anche con luce del vicino infraros-so impiegata nelle fibre ottiche per le comunica-zioni a larga banda. Infatti sono stati realizzati, an-che se ancora a livello di prototipi da laboratorio,commutatori ottici in grado di reinstradare i se-gnali di luce che viaggiano nelle fibre ottiche del-le reti di telecomunicazione. Il vantaggio princi-pale nell’impiegare commutatori a cristallo liqui-do consiste nell’assenza di parti in movimento edinoltre le tensioni di pilotaggio sono relativamen-te basse rispetto a componenti analoghi realizzaticon altre tecnologie basate sull’impiego di mate-riali semiconduttori o dielettrici cristallini, comead esempio il niobato di litio, oggi largamente uti-lizzati in ottica. Dal punto di vista scientifico i cri-stalli liquidi offrono ancora oggi grande motivo diattenzione per la ricerca scientifica per i numerosieffetti derivanti dall’interazione con la luce. Infattisegnali di luce possono innescare fenomeni diriorientamento delle molecole di cristallo liquidoaprendo una serie di nuovi scenari di sviluppo didispositivi tuttoottici in cui la luce può essere con-trollata da un altro segnale di luce anziché da unodi tipo elettrico. Inoltre celle speciali possono es-sere utilizzate per immagazzinare informazioneottica in ologrammi con capacità più elevate ri-spetto agli attuali sistemi di memoria di massa.

Antonio d’Alessandro Rita Asquini

Dipartimento di Ingegneria Elettronica – Università degliStudi di Roma “La Sapienza”- INFM


formare una sottile intercapedine riempita concristallo liquido nematico. Sulle facce interne deivetri dell’intercapedine è presente un elettrodotrasparente di ossido di stagno ed indio e sopradi esso, a contatto con il cristallo liquido, un filmdi polimero. Quest’ultimo viene stirato in modoche a livello microscopico assomigli alle coste diun tessuto di velluto orientate in una direzionelungo la quale si allineano le molecole di cristal-lo liquido. In una cella TN le molecole di cristal-lo liquido compiono una rotazione di 90° pas-sando da un vetro ad un altro lungo lo spessoredell’intercapedine, essendo le direzioni di alli-neamento sui due vetri perpendicolari tra loro.

Sulle facce esterne dei vetri sono presenti deifiltri polarizzatori lineari, che sono in grado di farpassare luce in cui il campo elettrico della radia-zione luminosa oscilli in una direzione determina-ta dall’orientamento del polarizzatore. I due pola-rizzatori sono perpendicolari tra loro e rispettiva-mente allineati con la direzione dei film polimericidi allineamento del cristallo liquido.

Quando un fascio di luce proveniente da unasorgente luminosa posizionata dietro la cella, at-traversa il primo polarizzatore, si propaga nel cri-stallo liquido lungo il cui spessore, il campo elet-trico della radiazione elettromagnetica subisceuna rotazione di 90°, seguendo lo stesso orienta-mento delle molecole di cristallo liquido, per poiattraversare il secondo polarizzatore e completa-re l’attraversamento della cella. Quindi un osser-vatore dalla parte opposta alla cella rispetto alla

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Rappresentazione schematica della struttura e del prin-cipio di funzionamento di una cella a cristallo liquido intrasmissione.

La Scuola Superiore S. Anna di Pisa e ilCNIT sono da anni attivi nello studio enella sperimentazione di sistemi otticiavanzati di tipo Optical Time Division

Multiplexing (OTDM). Superando i limiti del-l’elettronica, questi sistemi potranno consenti-re di raggiungere elevatissime capacità di tra-smissione ed elaborazione dei segnali. Al mo-mento lo studio si sta concentrando su sistemidel tipo 160 Gbit/s e in questo contributo sonodescritte due soluzioni realizzate per la sor-gente di impulsi, realizzate rispettivamentecon la tecnica di Mode-locking e con effetti so-litonici. Entrambe le soluzioni sono state già u-tilizzate per sperimentazioni avanzate nell’am-bito dello studio dei sistemi OTDM: in partico-lare, sono state impiegate per la prima dimo-strazione in Italia di trasmissione a 160 Gbit/se per dimostrare particolari tecniche di elabo-razione ottica su segnali ultracorti. Sono inol-tre in programma ulteriori ricerche per avan-zamenti verso velocità di trasmissione ancorapiù elevate (320 o 640 Gbit/s).

Per produrre un segnale a 160 Gbit/s sonoquindi necessarie sorgenti di impulsi moltobrevi, dell’ordine di 1-2 ps (un miliardesimo dimillisecondo).

Tecnica di Mode Locking

Il Mode Locking (ML) è una tecnica impie-gata per la generazione di treni di impulsi otti-ci mediante un oscillatore laser multimodale.In linea di principio, per ottenere dall’oscilla-tore multimodale un comportamento impulsa-to è sufficiente forzare la fase relativa dei mo-di. Questa tecnica viene impiegata in laser infibra e a semiconduttore con risultati differen-ti. Per entrambe le tecnologie esistono tre pos-sibili realizzazioni in funzione del dispositivousato per costringere la fase. Il Mode Lockingviene quindi detto Passivo (PML – Passive Mo-de Locking) se è ottenuto mediante un dispo-sitivo, per l’appunto, passivo come, ad esem-pio, un Saturable Absorber (SA) inserito nella

cavità; Attivo (AML-Active Mode Locking) seviene impiegato in cavità un modulatore d’am-piezza o fase, ed in fine Ibrido (HML – HybridMode Locking) se un segnale ottico di control-lo o un dispositivo passivo controllato esterna-mente vengono usati per forzare la fase.

Generazione di solitoni mediantepropagazione nonlineare

Una tecnica alternativa al mode-locking,per realizzare una sorgente di impulsi ultra-corti per trasmettere segnali con tecnologiaOTDM è quella della compressione solitonicaadiabatica. Questa tecnica è stata proposta edimostrata nei Laboratori di Pisa e risulta estre-mamente promettente per una serie di notevo-li semplificazioni e di potenziali vantaggi. Latecnica è estremamente complessa a livelloteorico, ma risulta di una maggiore semplicitàpratica e di una maggiore stabilità.

Per una descrizione, sia pure sommaria,della tecnica utilizzata si deve rimandare alconcetto di ottica nonlineare e di impulsi soli-tonici, ovvero di solitoni ottici. Nelle condi-zione di propagazione nonlineare è possibileche le caratteristiche trasmissive della fibrasiano in qualche modo influenzate dal segna-le ottico che la sta attraversando, in questecondizioni l’impulso sperimenta la cosiddettapropagazione nonlineare.

Come già accennato, la dispersione cromati-ca delle fibre ottiche tende a modificare, spes-so con effetti distruttivi, la forma dei segnalidurante la trasmissione. I solitoni sono sostan-zialmente immuni da questo effetto poiché inessi si realizza un bilanciamento della disper-sione cromatica e degli effetti nonlineari: perquesto motivo è possibile che si propaghinomantenendo un profilo inalterato. In terminitecnici, si può dire che i solitoni sono particola-ri soluzioni dell’equazione di propagazione infibra, quelle in cui la dispersione lineare vienecompensata perfettamente dall’effetto nonli-neare di automodulazione di fase (Self PhaseModulation, SPM). Queste soluzioni sono dette


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Generazione di impulsi ultracortiper trasmissioni ed elaborazioni ottiche ad altissima velocità

temente breve per permettere anche la compo-sizione di una trama di otto flussi a 320 Gb/s.

Mediante segnali con impulsi molto corti sipossono effettuare delle elaborazioni molti ve-loci che solo l’ottica può permettere. In alcunilaboratori sono state già sperimentale delleporte logiche tutte ottiche che sono in gradodi processare segnali aventi impulsi incredibil-mente corti (fino a qualche femtosecondo, 1 fsè un miliardesimo di microsecondo) e il chesignifica che l’elaborazione può lavorare convelocità dell’ordine del centinaio di Tb/s (1Tb/s=1012 b/s). Esempi semplici sono le porteAND che sono costituite da un materiale otticononlineare in grado di produrre un impulso inuscita solo quando sono simultaneamentepresenti due impulsi al suo ingresso.

Queste ricerche sono state parzialmente fi-nanziate dalla Marconi Communications e daun progetto del Ministero dell’Istruzione, del-l’Università e della Ricerca.

Giancarlo PratiErnesto Ciaramella

Antonella BogoniGiampiero Contestabile

Luca Potì

Scuola S. Anna, Pisa


appunto, onde solitarie o solitoni.I solitoni godono inoltre di altre interessanti

proprietà, tra cui la più significativa è probabil-mente la “robustezza”. Entrambe le suddette ca-ratteristiche sono sfruttate nella sorgente propo-sta e realizzata a Pisa, e sarà ora descritta breve-mente. Mediante un modulatore di intensità, sirealizza una modulazione sinusoidale di un se-gnale ottico, con una frequenza di modulazionepari alla frequenza del tributario (in questo caso:40 GHz). Questo segnale viene poi inviato inuna fibra ottica le cui proprietà sono state accu-ratamente selezionate. In questa fibra, si svilup-pano insieme diversi effetti nonlineari. Una vi-sione semplificata è la seguente: la sinusoide ini-ziale tende inizialmente a evolvere in una se-quenza regolare di solitoni grazie all’effetto «at-trattivo « dei solitoni. Questo effetto produrrebbetuttavia solitoni con larghezza temporale di circa4 ps, insufficienti ai nostri scopi. Al tempo stesso,si verifica anche la compressione adiabatica soli-tonica: il bilanciamento accurato dei due effettiha consentito di produrre impulsi di circa 1 pscon cadenza di ripetizione di 40 GHz.

Nella seguente figura è mostrato il diagram-ma ad occhio risultato di una multiplazione diquattro flussi in uno a 160 Gb/s. Come si puònotare, gli impulsi hanno una durata sufficien-

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Diagramma ad occhio a 160 Gbit/s ottenuto con la sorgente di solitoni.

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A cura di Alberto Mucci Le nuove tecnologie fotoniche L’ · Con le nuove tecnologie fotoniche si avranno gros- ... Luca Poti, Scuola S. Anna, Pisa. le nuove tecnologie fotoniche