Le fibre ottiche avanzate trasformano le moderne reti di comunicazione

La tecnologia a fibra ottica continua ad evolversi rapidamente, svolgendo un ruolo fondamentale nell'era dell'informazione. Oltre alle tradizionali fibre ottiche utilizzate per la trasmissione del segnale, una nuova classe nota come "fibre ottiche speciali" sta emergendo come un elemento di svolta. Queste fibre fungono da forze speciali nelle comunicazioni ottiche, svolgendo funzioni uniche e critiche nell'elaborazione del segnale, nell'interconnessione dei dispositivi e in altre applicazioni specializzate. Cosa rende queste fibre speciali così notevoli e come potrebbero rimodellare il futuro delle comunicazioni ottiche? Questo articolo esamina diverse fibre speciali rappresentative, esplorando i loro principi tecnici, le applicazioni e le sfide.

Nei sistemi di trasmissione ottica dominati da fibre monomodali standard (SMF), la dispersione cromatica presenta una sfida significativa. La dispersione causa l'allargamento degli impulsi ottici, degradando la qualità del segnale e limitando la distanza e la velocità di trasmissione. La fibra a compensazione di dispersione (DCF) fornisce una soluzione efficace a questo problema. La caratteristica chiave della DCF è il suo elevato valore di dispersione negativa nella finestra di lunghezza d'onda di 1550 nm, che compensa la dispersione positiva generata nella SMF standard.

Nello specifico, la DCF ha tipicamente un coefficiente di dispersione di circa D ≈ -95 ps/(nm·km). Ciò significa che circa 14 km di DCF possono compensare la dispersione in 80 km di SMF standard. Nelle applicazioni pratiche, la DCF viene solitamente confezionata come modulo di compensazione della dispersione (DCM) per una più facile integrazione del sistema.

Rispetto ad altre tecniche di compensazione della dispersione come le griglie di Bragg in fibra (FBG), la DCF offre vantaggi tra cui un'ampia finestra di lunghezza d'onda, alta affidabilità e ondulazione di dispersione estremamente bassa, tutti cruciali per i sistemi di multiplexing a divisione di lunghezza d'onda (WDM). Inoltre, la DCF può essere progettata per compensare la pendenza di dispersione, rendendola ideale per applicazioni WDM a lunghezza d'onda ampia.

Tuttavia, la DCF presenta dei limiti. A causa del suo valore di dispersione limitato per unità di lunghezza, la DCF mostra un'attenuazione relativamente elevata quando è richiesta una grande compensazione della dispersione totale. Inoltre, per ottenere una dispersione negativa nella finestra di lunghezza d'onda di 1550 nm, l'area del nucleo efficace della DCF è tipicamente piccola (Aeff ≈ 15 μm²), circa un quinto di quella della SMF standard. Ciò si traduce in effetti non lineari significativamente migliorati nella DCF, che devono essere presi in considerazione quando si progettano dispositivi di misurazione che incorporano la DCF.

Le fibre monomodali ideali hanno sezioni trasversali circolari con due modi degeneri con stati di polarizzazione reciprocamente ortogonali e costanti di propagazione identiche. Tuttavia, le sollecitazioni esterne possono indurre birifrangenza nelle fibre, causando lo sviluppo di costanti di propagazione diverse per questi modi degeneri. La distribuzione dei segnali ottici tra questi due modi di polarizzazione dipende non solo dalle condizioni di accoppiamento tra la sorgente luminosa e la fibra, ma anche dall'accoppiamento energetico tra i modi durante la propagazione, un processo che è tipicamente casuale. Di conseguenza, anche dopo aver propagato solo pochi metri attraverso la fibra, lo stato di polarizzazione del segnale di uscita di solito diventa casuale. L'accoppiamento modale e gli stati di polarizzazione di uscita sono altamente sensibili a disturbi esterni come variazioni di temperatura, cambiamenti di sollecitazione meccanica e micro e macro-piegatura.

Per ridurre al minimo l'accoppiamento energetico tra i due modi di polarizzazione ortogonali, la differenza nelle loro costanti di propagazione deve essere sufficientemente grande. Ciò si ottiene incorporando elementi aggiuntivi nel rivestimento della fibra per applicare una sollecitazione asimmetrica al nucleo. A causa dei diversi coefficienti di espansione termica dei materiali, la sollecitazione unidirezionale può essere creata nel nucleo durante il processo di trafilatura della fibra. In base alla forma delle parti di applicazione della sollecitazione (SAP), le fibre PM sono classificate come tipi "Panda" o "Bowtie".

È importante notare che le fibre PM sono essenzialmente fibre altamente birifrangenti progettate per ridurre al minimo l'accoppiamento tra i modi di polarizzazione ortogonali. Tuttavia, affinché una fibra PM mantenga lo stato di polarizzazione di un segnale, la polarizzazione del segnale di ingresso deve allinearsi con l'asse lento o veloce della fibra. In caso contrario, entrambi i modi degeneri verranno eccitati e, nonostante l'accoppiamento energetico minimo tra loro, le loro fasi ottiche relative saranno comunque influenzate dai disturbi della fibra, impedendo il mantenimento dello stato di polarizzazione di uscita.

Pertanto, quando si utilizzano fibre PM nei sistemi ottici, è fondamentale un attento allineamento dello stato di polarizzazione del segnale di ingresso. In caso contrario, per quanto riguarda la stabilità della polarizzazione di uscita, le fibre PM potrebbero funzionare peggio delle fibre monomodali standard. Un'altra sfida con le fibre PM è la difficoltà di collegarle e giuntarle. Quando si uniscono due fibre PM, i loro assi di birifrangenza devono essere perfettamente allineati. Il disallineamento causa gli stessi problemi del disallineamento della polarizzazione di ingresso. Le giuntatrici di fibre PM, che forniscono una rotazione e un allineamento precisi degli assi, possono costare cinque volte di più rispetto alle giuntatrici di fibre convenzionali a causa della loro complessità.

La fibra a cristalli fotonici (PCF), nota anche come fibra a banda proibita fotonica, rappresenta un tipo di fibra completamente nuovo con un meccanismo di guida d'onda fondamentalmente diverso dalle fibre convenzionali. La PCF presenta tipicamente numerosi fori d'aria distribuiti periodicamente nella sua sezione trasversale, guadagnandosi il soprannome di fibra "forata". Il meccanismo di guida della luce della PCF si basa sugli effetti di risonanza di Bragg nella direzione trasversale della fibra, il che significa che le sue finestre di trasmissione a bassa perdita dipendono in gran parte dalla progettazione della struttura della banda proibita.

La PCF a grande area del nucleo consente il funzionamento monomodale su una finestra di lunghezza d'onda eccezionalmente ampia (ad esempio, 750-1700 nm) mantenendo al contempo una grande area del nucleo. Rispetto alla PCF a nucleo cavo, la PCF a grande area del nucleo offre finestre a bassa perdita più ampie. Sebbene il suo parametro non lineare sia inferiore alla SMF standard, è tipicamente molto più alto della PCF a nucleo cavo.

La PCF altamente non lineare, con la sua sezione trasversale del nucleo solido estremamente piccola, consente un'elevata densità di potenza nel nucleo. Ad esempio, una PCF altamente non lineare con lunghezza d'onda a dispersione zero a λ0 = 710 nm potrebbe avere un diametro del nucleo di soli 1,8 μm e un parametro non lineare γ > 100 W−1 km−1—40 volte superiore alla SMF standard. Questo tipo di PCF è comunemente utilizzato in applicazioni di elaborazione del segnale ottico non lineare come l'amplificazione parametrica e la generazione di supercontinuum.

La PCF a nucleo cavo guida i segnali luminosi attraverso un nucleo d'aria. A differenza delle guide d'onda convenzionali che richiedono materiali dielettrici solidi ad alto indice di rifrazione, la struttura della banda proibita fotonica della PCF nel rivestimento funge da specchio virtuale che confina le onde luminose in propagazione al nucleo d'aria. Nella maggior parte delle PCF a nucleo cavo, oltre il 95% della potenza ottica viaggia attraverso l'aria, riducendo al minimo l'interazione tra la potenza del segnale e il materiale vetroso. Poiché la non linearità dell'aria è di circa tre ordini di grandezza inferiore a quella della silice, la PCF a nucleo cavo può mostrare una non linearità estremamente bassa, rendendola adatta alla trasmissione di segnali ottici ad alta potenza.

Tuttavia, la PCF deve affrontare due sfide principali: finestre di trasmissione relativamente strette (in particolare per la PCF a nucleo cavo, tipicamente circa 200 nm) a causa dei forti effetti di risonanza delle strutture periodiche che confinano l'energia del segnale nel nucleo d'aria; e un'attenuazione relativamente elevata causata principalmente da imperfezioni di fabbricazione che portano alla rugosità della parete del foro d'aria. L'enorme area di interfaccia aria/vetro nella PCF significa che anche una minima rugosità superficiale può causare significative perdite per scattering. Di conseguenza, la PCF rimane un tipo di fibra costoso e di fascia alta, venduto principalmente al metro piuttosto che al chilometro. La loro fragilità e le difficoltà di manipolazione, derivanti dai fori d'aria che complicano il trattamento superficiale, la terminazione, la connessione e la giunzione, limitano ulteriormente l'adozione diffusa.

Recentemente, un tipo speciale di PCF a nucleo cavo chiamato fibra nodeless antiresonante nidificata a nucleo cavo (HC-NANF) ha mostrato promettenti risultati per la trasmissione ottica ad alta velocità. La struttura del nucleo della HC-NANF presenta sei coppie di capillari di silice nidificati disposti attorno a un nucleo d'aria centrale. Questo design nidificato aiuta a spingere il campo modale verso la regione centrale del nucleo d'aria, riducendo l'interazione con il materiale di silice e potenzialmente abbassando significativamente l'attenuazione. Con un'adeguata progettazione dello spessore, del diametro e della posizione dei capillari, la larghezza di banda a bassa perdita della HC-NANF potrebbe coprire l'intera finestra di lunghezza d'onda di 1100-1600 nm. Le tecniche di produzione migliorate hanno già ridotto l'attenuazione della HC-NANF a 0,28 dB/km. In definitiva, poiché il campo luminoso si propaga nel nucleo d'aria con un'interazione minima con la silice, le perdite intrinseche potrebbero diventare molto inferiori rispetto alle fibre a nucleo solido standard se le tecniche di produzione migliorano ulteriormente.

Le fibre a nucleo cavo offrono ulteriori vantaggi: la non linearità trascurabile consente una maggiore potenza del segnale senza problemi di degradazione non lineare e i segnali luminosi si propagano circa il 30% più velocemente rispetto alle fibre a nucleo solido standard a causa della riduzione dell'indice di rifrazione da n≈1,47 a n≈1, contribuendo a ridurre la latenza di trasmissione. Gli esperimenti di trasmissione WDM ad alta velocità suggeriscono che la HC-NANF potrebbe diventare una promettente alternativa all'attuale SMF per i sistemi e le reti ottiche WDM.

La fibra ottica in plastica (POF) offre un'alternativa a basso costo che è anche facile da maneggiare. I nuclei POF sono tipicamente realizzati in PMMA (polimetilmetacrilato), una resina comune, mentre il rivestimento è solitamente costituito da polimero fluorurato con un indice di rifrazione inferiore rispetto al nucleo. I progetti di sezione trasversale POF sono più flessibili delle fibre di silice, consentendo varie dimensioni del nucleo e rapporti nucleo/rivestimento. Ad esempio, nelle POF di grandi dimensioni, il 95% della sezione trasversale può essere il nucleo per la trasmissione della luce.

La produzione di POF non richiede il costoso processo MOCVD essenziale per le fibre a base di silice, contribuendo a ridurre i costi. Mentre le fibre di silice dominano le telecomunicazioni, la POF trova sempre più applicazioni in aree sensibili ai costi grazie alla sua convenienza e flessibilità. I costi di connessione e installazione della POF sono particolarmente bassi, il che la rende interessante per le applicazioni fiber-to-the-home.

Tuttavia, la perdita di trasmissione della POF di circa 0,25 dB/m è quasi tre ordini di grandezza superiore a quella della fibra di silice, precludendo la trasmissione ottica a lunga distanza. La maggior parte delle POF sono multimodali, limitandole ad applicazioni a bassa velocità e a breve distanza come reti domestiche, interconnessioni ottiche, reti automobilistiche e soluzioni di illuminazione/strumentazione flessibili.