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La fotonica come tecnologia pervasiva: comunicazione, sensoristica, circuiti integrati
Piero Castoldi
Scuola di Orientamento di S. Miniato16 Febbraio 2013
Mi presento
• Sono un professore della Scuola Superiore Sant’Anna di Studi Universitari e Perfezionamento (SSSUP in breve) di Pisa
http://www.sssup.it
• Collaboro intensamente con il CNIT (Consorzio Nazionale Interuniversitario per le Telecomunicazioni)
http://www.cnit.it
• Ho insegnato corsi nell’area delle reti e dei sistemi di telecomunicazione sia cablati che radio e nell’area delle comunicazioni multimediali e svolgo attività di ricerca nelle stesse aree
• Attualmente sono titolare del corso di “Reti comunicazione”
• La mia home-page: http://www.pierocastoldi.it
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LNRFCoordinator: Prof. F. Di Pasquale
Human - RobotInteractionLeader: Dr.A.Frisoli
Real-Time SystemsLeader: Prof. G. Buttazzo
Networks& ServicesLeader: Prof. P. Castoldi
Optical Communication SystemsLeader: Prof. E. Ciaramella
Optical Communication Theory & TechniquesProf. E. Forestieri
Optical Fibersensors& Integrated Photonics SubsystemsLeader: Prof. F. Di Pasquale
High-capacityOpticalCommunicationsLeader: Dr. L. Potì
Digital & MicrowavePhotonicsLeader: Dr. A. Bogoni
Resource ManagementLeader: Dr. M. Marinoni
EmbeddedSystems DesignLeader:Prof. M. Di Natale
Computer Graphics and Virtual EnvironmentsLeader: Dr.F.Tecchia
Intelligent Automation SystemsLeader: Dr. C.Avizzano
Istituto TeCIPDirector: Prof. G. Prati
CommunicationCoordinator: Prof. P. Castoldi
Embedded SystemsCoordinator: Prof. G. Buttazzo
Perceptual RoboticsCoordinator: Dr. C. Avizzano
IRCPhoNeT
Networks of Embedded SystemsLeader: Dr. P. Pagano
Security, EnvironmentEnergy and Safety(SEES Center)Leader: Dr. M. Fontana
Advanced Technologies forIntegrated PhotonicsLeader: Dr. M. Romagnoli
Integrated PhotonicsTechnology CenterResponsible: Dr. J. Klamkin
Istituto di Tecnologie dellaComunicazione, Informazionee Percezione (TeCIP)
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Laboratori
Integrati della
Scuola e del
CNIT (1)
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Laboratori
Integrati della
Scuola e del
CNIT (2)
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Collaborazioni Aziendali
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Sommario
• Breve storia delle telecomunicazioni
• Dalle comunicazioni digitali all’Internet
ottica
• Le reti fotoniche
• Sensori, circuiti integrati
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La telecomunicazione
• Telecomunicazione significa “comunicazione (di
informazioni) a distanza”
• Più precisamente, siamo in presenza di un sistema
di telecomunicazione se il trasferimento di
informazioni nello spazio avviene mediante il
trasporto di energia e non di materia
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L’ingegneria delle Telecomunicazioni
Alle Telecomunicazioni si associano una serie di servizi che tocchiamo
con mano come utenti finali:
• Il telefono (fisso, cordless, cellulare GSM e UMTS, VoIP)
• La televisione (terrestre, via satellite, via Internet)
• Internet e relativi servizi (e-mail, web, peer-to-peer, etc)
• Remotizzazione di periferiche con tecnologie wireless (senza fili)
Tali servizi si avvalgono di reti di telecomunicazione, che a loro volta
sono costituiti da sistemi di telecomunicazione, che a loro volta si
appoggiano a tecnologie o sottosistemi di telecomunicazione.
→ l’ingegneria delle telecomunicazioni è una scienza applicata che si
occupa di progettare reti, sistemi, sottosistemi di telecomunicazione.
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Breve storia delle telecomunicazioni
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Non fu facile all’inizio ..
“Arrestato a New York un individuo che cercava di estorcere soldi a
persone ignoranti e superstiziose esibendo uno strumento che, per
mezzo dei cavi metallici, trasmetterebbe la voce umana a qualsiasi
distanza così da poter essere udita dall’ascoltatore all’altro capo.”
…
“L’uomo chiama questo strumento telefono.”
…
“Persone bene informate sanno che è impossibile trasmettere la
voce umana attraverso i cavi.”
“da un giornale di New York “ 1868
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Ma poi ci si convinse ..
• Alexander Graham Bell inventò il microfono e la
“macchina per la trasmissione elettrica della voce”,
che oggi chiamiamo telefono nel 1875 in Canada.
• Antonio Meucci ed altri realizzarono esperimenti di
telefonia già nel 1850 negli Stati Uniti, anteriormente a
Bell, ma per problemi economici non riuscirono a
brevettare l’idea.
• Bell fu il primo inventore che sfruttò l’idea dal punto
di vista commerciale
• Fondò l’azienda Bell Telephone nel 1877. Già nel
1877, Bell mise in esercizio il primo commutatore
telefonico a New Haven, Connecticut (USA)
• Nel 1884, le prime telefonate “interurbane” furono
fatte tra Boston (Massachussets) e New York City
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.. che l’idea non era malvagia ..
• Thomas Edison lavorò per migliorare il telefono di
Bell e presentò un brevetto in Inghilterra nel 1877 per
la sua nuova versione del telefono con “trasmettitore a
carbone” (il primo microfono moderno).
• Nel 1877 la Western Union decise di entrare in
concorrenza con la Bell ed entrò nella produzione
commerciale di telefoni.
• Furono fatti ampi test sui prototipi di
telefono di Edison e di altri inventori.
• Alla termine dei test, fu stabilito che il
“telefono a carbone” di T. Edison
presentava le prestazioni migliori e fu
adottato come standard.
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.. e allora ci si provò a liberare dei cavi ..
• Nel 1895, Guglielmo Marconi effettuò alcuni semplici
esperimenti coi quali riuscì a trasmettere segnali
utilizzando le onde elettromagnetiche e fu in grado di
riceverli impiegando un’antenna.
• Nel 1897, il ministero delle Poste inglese fornì a
Marconi finanziamenti e personale tecnico per
continuare i suoi esperimenti e le distanze di
trasmissione diventarono sempre più lunghe. Il
radiotelegrafo era diventato una realtà.
• Nel Dicembre 1901, utilizzò il suo sistema per
trasmettere il primo segnale radio trans-atlantico tra
Poldhu (in Cornovaglia) e St. John’s (Canada) ad una
distanza di 3000 km. Questo esperimento dimostrò che
la propagazione delle onde radio non è disturbata dalla
curvatura terrestre.
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.. radio, TV e satelliti per telecomunicazioni
• Intorno agli anni 20 il
perfezionamento degli apparecchi di
ricezione porta alla sperimentazione
delle prime trasmissioni radiofoniche
• Nel 1936 la BBC inaugura il primo
servizio di trasmissioni televisive
pubbliche
• Nel 1962 viene messo in orbita
Telstar 1, il primo satellite per
telecomunicazioni commerciale
dalla AT&T
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Dalle comunicazioni analogiche all’Internet ottica
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Dai “sistemi punto-punto” alle “reti”
• Bell/Meucci e Marconi hanno di fatto gettato le basi per i sistemi di
trasmissione punto-punto su cavo e via radio
• Attraverso l’impiego di centrali di commutazione si pervenne la rete
telefonica, la prima rete di telecomunicazione mondiale
• Le radiocomunicazioni si sono evolute nel sistema di trasmissione
televisivi terrestri e satellitari e vari sistemi di accesso (cellulari, Internet)
• Nodi
– Routers, server, switches,
access point, modems, …
• Rami
– Cavi in rame, cavi coassiali, fibre
ottiche, collegamenti radio …
• Una rete di telecomunicazione èspesso rappresentata da unanuvola ma contiene al suo internorami e nodi
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testiimmagini
filmati
suoni
applicazioni
Il tutto codificato in formato digitale:
Dalle trasmissioni analogiche alle digitali
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• Le reti di telecomunicazioni più moderne utilizzano segnali digitali
(binari), cioè treni di bit, per la trasmissione dell’informazione, utilizzando
dei mezzi di trasmissione (cavi o il mezzo radio)
• Intervallo di bit (durata) = tempo necessario per spedire un bit (sec)
• Velocità di trasmissione = numero di Intervalli di bit al secondo (b/s).
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Ampiezza
tempo0
1 1 110 0 0
intervallodi bit
1 secondo
8 b/s
Segnali digitali per le telecomunicazioni
0
• Velocità tipiche: 1/20 Mb/s (upload/download ADSL), 100/1000 Mb/s
Ethernet, 56/112 Mb/s WiFi, da 10 Gb/s fino a 1 Tb/s per collegamenti
internazionali in fibra ottica
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La commutazione di pacchetto
• I messaggi su Internet viaggiano in format di
pacchetti di bit
• I pacchetti vengono spediti e gestiti
autonomamente sulla rete
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I mezzi di trasmissione
• Affinché le informazioni codificate possano
viaggiare lungo una rete è necessario un mezzo
di trasmissione che colleghi il trasmettitore ed il
ricevitore
• Tale mezzo può essere un cavo metallico lungo
il quale si propagano impulsi elettrici, o un’onda
elettromagnetica che si propaga in spazio libero,
una fibra ottica che convoglia impulsi luminosi.
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Cavi di rame
• Coppia intrecciata di cavi, o doppino ritorto
• Si tratta di una coppia di fili in materiale conduttore (in
genere il rame) intrecciati l’uno con l’altro
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Il mezzo radio
• Ad una particolare regione dello
spettro e.m. vi sono le onde
radio che non hanno bisogno di
essere trasmesse all’interno di
cavi, poiché possono viaggiare
per lunghe distanze attraverso lo
spazio
• Grazie ai satelliti esse possono
raggiungere qualsiasi punto del
pianeta o propagarsi nello
spazio extraterrestre
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La fibra ottica
• il segnale trasmesso è un treno di impulsi di LUCE (fotoni in termini di
particelle elementari)
• consente di raggiungere velocità fino al Tb/s, 1000 miliardi di bit al
secondo!
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• Fibra ottica costituita da un materiale plastico/vitreo trasparente
con un cilindro interno con indice di rifrazione più elevato di quello
esterno
• Il fenomeno della riflessione totale tiene la luce confinata entro il
mezzo
• In termini di ottica geometrica, i raggi sono riflessi
• Gli impulsi rettangolari giungono a destinazione un po’ distorti
Cladding
Core
Propagazione della luce in fibra ottica
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Le reti fotoniche
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• Reti ottiche • Sistemi e tecnologie per la trasmissione ottica• Componenti e amplificatori ottici• Commutazione fotonica
Scuola Superiore
Sant’Annadi studi universitari e di perfezionamento
Centro integrato di Reti e Tecnologie Fotoniche
della Scuola Superiore Sant’Anna
Centro integrato di Reti e Tecnologie Fotoniche
della Scuola Superiore Sant’Anna
Attuali applicazioni delle telecomunicazioni
La fotonica nel futuro
• Bio-fotonica• Sensori basati su fibre ottiche• Circuiti integrati ottici
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I segmenti di rete
• Rete dorsale (Backbone)
– su scala continentale
– coast-to-coast
– distanze internodo > 1000 km
– 10Gb/s - 1Tb/s
• Rete metropolitana (Metro)
– su scala nazionale/regionale
– distanze internodo ~ 100 Km
– 1 Gb/s – 40 Gb/s
• Rete di accesso
– da provider ad utente
– distanze internodo ~ 10 Km
– <1 Mb/s – <100 Mb/s
• Rete Locale (LAN)
– Reti interne alla casa, all’università
– 10 Mb/s – 1 Gb/s
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Le reti dorsali per Internet
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� Reti ottiche ad instradamento della lunghezza d’onda (colore),
ogni colore supporta una trasmissione logica diversa (WDM)
� Stato dell’arte delle reti ottiche
• L’ottica è eccezionale per la trasmissione sulle lunghe distanza
• L’elettronica aiuta per l’elaborazione del segnale
Impiego dei “colori” nelle fibre ottiche
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Reti ottiche e sistemi ottici
• Sistemi di trasmissione
– Dense WDM
– Reti di accesso
– Ottica in spazio libero
• Funzionalità ottiche
– Conversione di lunghezza d’onda
– Packet Switching
Impulsi ottici su oscilloscopio
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Reti metropolitane (Metro)
• Si utilizzano per connessioni tra città su base nazionale o
regionale
• Interconnettono il traffico reti locali (LAN) a beneficio delle reti
dorsali
• La topologia ad anello ampiamente usata per la sua implicita
robustezza ai guasti
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Le reti di accesso (il punto debole …)• Il cosiddetto “ultimo miglio” tra la nostra casa (o ufficio) e la centrale che eroga i servizi
(voce, dati, ecc.)
• E’ anche detto “rilegamento d’utente”
• Tipologie di rete di accesso:
– Asymmetric Digital subscriber Loop (ADSL) fino a 8 Mb/s su doppini in rame: una
speciale nodulazione che trasmette i dati sullo stesso filo del telefono ma su un canale
separato.
– Accesso wireless: non completamente liberalizzato in Italia outdoor (es. aereoporti)
– Fiber-to-the Home (FTTH): fibra ottica, consente elevatissime velocità (es. Fastweb)
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Le reti locali (LAN)
• Interconnessione di computer all’internod i edifici o istituzioni
pubbliche o private
• Consente elevate velocità di trasmissione (10Mb/s – 1Gb/s)
• Topologie varie
• Bus, Stella (star), Anello. Albero. maglia
• Esempio
• Fast Ethernet (IEEE 802.3u, 100 Mb/s)
• Gigabit Ethernet (1 Gb/s)
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Controllo e gestione del traffico
Servizi MM(40 Gb/s)
Servizi P2P
(60 Gb/s)1
00
Gb
/s
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0 G
b/s
Allocazione
dei servizi
Robustezza ai guasti
Gestione del traffico
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Architetture di rete a bassoconsumo di potenza
• Architetture di rete a basso consumo
• Spegnimento selettivo di apparati di
rete (modalità stand-by)
– Per reti cablate e wireless
Power meter
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Controllo treni AV
• Miglioramento dell’affidabilità delle reti di controllo
dei sistemi ferroviari AV/AC – “Alta Velocità/Alta
Capacità”
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Sensori, circuiti integrati
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I sensori in fibra ottica
• Sensori di temperatura
• Sensori meccanici (di torsione o trazione)
Dettaglio del cavo in fibra
per la misura della temperatura
Posa del cavo in galleria
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Impiego dei sensori in fibra
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Cosa vuol dire “integrazione”
Progetto di un circuito ottico integrato
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Come si fa un circuito integratoCome si fa un circuito integrato
