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fotònica

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Descrizione generale

Sf. [da fotone]. La fotonica riguarda una classe di dispositivi utilizzanti i fotoni, quanti di luce che nella meccanica ondulatoria sono particelle prive di carica e di massa che si muovono alla velocità della luce. Questi dispositivi sono complementari o in competizione con i dispositivi elettronici per quanto riguarda l'elaborazione, l'immagazzinamento e la trasmissione delle informazioni. I dispositivi fotonici, rispetto a quelli elettronici, sono in genere più veloci, possono trasportare o immagazzinare un maggior numero di informazioni, sono insensibili alle interferenze elettromagnetiche. La generazione, modulazione, trasmissione e rivelazione di fotoni riducono decisamente i problemi di dissipazione del calore e della fornitura di potenza, che rappresentano uno dei vincoli dei dispositivi elettronici per le applicazioni più avanzate. Ampia diffusione hanno alcuni dispositivi fotonici, come i sistemi telefonici a fibre ottiche, i compact disc, i lettori dei prezzi dei prodotti alimentari, i bisturi laser per la chirurgia di precisione. In evoluzione sono le apparecchiature ottiche, dagli elaboratori ottici ai mezzi di comunicazione, alle memorie di massa, ai circuiti di prova dei microcircuiti. In particolare tre sono le direzioni lungo le quali la fotonica si è sviluppata: A) le reti di distribuzione dei dati utilizzanti fibre ottiche, note come data bus, che convertono segnali elettrici in flussi di fotoni nei sistemi di controllo avionici; B) i dispositivi ottici che sostituiscono sensori, come i radar, che consentono di ridurre i disturbi del telerilevamento e di aumentare la larghezza della banda di frequenza, e quindi la potenzialità di trasmissione a distanza; C) i dispositivi digitali ottici che elaborano le informazioni sotto forma di fotoni anziché di elettroni, che possono comportare un aumento di potenza di elaborazione di alcuni ordini di grandezza.

Telecomunicazioni: sistemi di trasmissione

Il termine fotonica è entrato in uso nel campo delle telecomunicazioni a seguito degli sviluppi tecnici conseguiti nel settore della optoelettronica e per l'affidabilità di alcune tecniche particolari, sempre più innovative. In principio i sistemi ottici, pur effettuando la trasmissione del segnale su fibra ottica, utilizzavano gli stessi sistemi elettronici per effettuare le operazioni necessarie, passando continuamente da segnale ottico a segnale elettrico e viceversa tutte le volte che era necessario. Negli anni Novanta sono stati, invece, messi a punto apparati quasi totalmente ottici, che hanno permesso di fare a meno di tale doppia conversione e si è iniziato a usare nel campo delle telecomunicazioni, in senso parallelo al termine elettronica, il termine fotonica. I sistemi fotonici applicati alle telecomunicazioni, quindi, si possono distinguere in sistemi di trasmissione e sistemi di commutazione. Per quanto riguarda i sistemi di trasmissione, l'uso delle fibre ottiche permette di ottenere larghezze di banda estremamente più ampie, in confronto a quelle ottenibili, per esempio, su cavi o su guide d'onda di tipo metallico, e se da un lato il segnale ottico comporta un uso di frequenze portanti dell'ordine dei 100.000 GHz (più di mille volte rispetto a quelle a microonde, ove 100 GHz è già una frequenza estremamente alta), dall'altro l'efficienza delle modulazioni, usate nelle trasmissioni ottiche, è molto più bassa di quella relativa ai sistemi tradizionali. Pertanto la larghezza di banda dei canali trasmessi su fibra ottica non è limitata dalla portante, ma dagli apparati ausiliari di modulazione, demodulazione, amplificazione, ecc. I primi sistemi di trasmissione ottica erano costituiti da un trasmettitore ottico (tipicamente un laser) modulato dal segnale da trasmettere, disponibile in forma elettrica, da un mezzo trasmissivo (fibra ottica) e da un rivelatore ottico (fotodiodo) in grado di riottenere il segnale di partenza in ricezione. La modulazione oggi maggiormente in uso è quella aperto/spento (detta tecnicamente OOK, on-off keying), assimilabile in linea di massima alla accensione e allo spegnimento di una lampadina (a un ritmo estremamente veloce). Allo scopo di evitare cammini multipli e interferenze nella trasmissione, la fibra usata è del tipo monomodo. Vari sono i fenomeni che intervengono lungo la trasmissione del segnale in una fibra ottica e che hanno l'effetto di degradare il segnale trasmesso. Globalmente tali fenomeni si manifestano in un'attenuazione del segnale, che deve essere compensata da amplificazioni intermedie. Lo sviluppo della ricerca nel campo delle fibre ottiche, inoltre, ha permesso lo sviluppo dei sistemi fotonici per telecomunicazioni, limitando il valore della attenuazione e così si è passati da varie decine di dB/km nei primi sistemi (anni Sessanta) a meno di 0,01 dB/km nei sistemi attuali.

Telecomunicazioni: componenti ottici

Lo sviluppo tecnico è anche legato alla messa a punto di vari elementi che, analogamente alle resistenze, induttanze e capacità in uso nei sistemi elettrici, sono detti componenti ottici o optoelettronici. Tralasciando i laser, i rivelatori ottici e gli amplificatori è opportuno considerare quei componenti noti come componenti ottici passivi e tra questi i giunti per fibre ottiche. Tali componenti si sono rivelati cruciali per la messa in esercizio di tratte di trasmissione in fibra. Occorre, infatti, notare che il cavo ottico (di lunghezza tipica di 1 o 2 km) contiene nel suo interno un gran numero di fibre, ciascuna del diametro intorno al decimo di millimetro. Allo scopo di effettuare collegamenti affidabili è necessario allineare ciascuna fibra con quella della tratta successiva con un giunto, da realizzare in cantiere, che sia affidabile, facilmente ottenibile e che dia attenuazioni accettabili. Si è così sviluppata la tecnica dei giunti fissi, tali cioè da permettere il collegamento in modo permanente di due tratte in fibra, con perdite d'inserzione inferiori ai 0,1 dB. In modo analogo, nelle centrali o negli armadi di distribuzione è necessario poter connettere o disconnettere in modo temporaneo tratti in fibra attraverso elementi di giunzione, detti connettori ottici mobili. Tali elementi sono realizzati con perdite d'inserzione comprese fra i 0,5 e 1 dB. Tecniche molto complesse sono state, inoltre, messe a punto per realizzare elementi di derivazione o di confluenza di segnale. In un sistema ottico per telecomunicazioni, per poter estrarre o inserire dei canali da una linea di trasmissione servono gli accoppiatori multiporta, analoghi ai sistemi multiporta in uso nei sistemi elettronici, ma visto che gli accoppiatori ottici sono di tipo passivo, occorre tenere presente che la potenza ottica entrante in un ripartitore è uguale alla somma delle potenze uscenti e, quindi, i canali ottenuti in tal modo opereranno su livelli di potenza inferiori a quelli del canale d'ingresso. Una tecnica propria dei sistemi ottici di trasmissione è quella detta a divisione di lunghezza d'onda, WDM (Wavelength Division Multiplexing), per cui più canali a larga banda possono essere trasmessi sulla stessa fibra, ognuno affidato a una portante a lunghezza d'onda differente, che genera segnali ottici modulati, poi convogliati sulla stessa fibra. La tecnica WDM ha assunto grande rilevanza nei sistemi fotonici; essa è resa possibile da un certo numero di componenti, che rendono attuabili i due processi chiave: di convogliare e discriminare segnali ottici a differenza di lunghezza d'onda. I dispositivi più importanti messi a punto a tale scopo sono del tipo già citato ad accoppiamento di modo, ovvero a dispersione angolare e a riflessione e trasmissione, che utilizzano sofisticati sistemi di microottica.