Una luce a spirale potenzia le comunicazioni ottiche
Gli attuali tassi di crescita del traffico di dati in rete sono per lo più causati da servizi che incrementano moltissimo l’utilizzo di Internet. I servizi di video su richiesta, social network e cloud computing stanno mettendo a dura prova le prestazioni dei centri di elaborazione dati e potrebbero influire sulla funzionalità della rete. Per affrontare questi problemi sono state finora proposte e studiate moltissime soluzioni tecniche e architetture di rete. Queste sono per lo più collegate al miglioramento di scalabilità, larghezza di banda e consumo energetico dei collegamenti e commutatori ottici dei centri di elaborazione dati. Attraverso il progetto ROAM, finanziato dall’UE, gli scienziati hanno usato una proprietà della luce raramente sfruttata (il suo OAM) per incrementare la quantità di dati che può essere trasmessa lungo una fibra ottica e migliorare le prestazioni dei commutatori ottici nei centri di elaborazione dati. Multiplazione OAM A seconda della distribuzione spaziale del campo, il fascio OAM presenta un fronte d’onda elicoidale o a spirale che può prendere molti valori interi. «A differenza dei sistemi di comunicazione convenzionali che usano dei fotoni come uni e zeri per trasportare dati, l’OAM della luce consente di codificare ulteriori dati nei suoi molti modi elicoidali. Questo significa che l’OAM ha il potenziale di incrementare la capacità dei sistemi di comunicazione», osserva la coordinatrice del progetto, la prof.ssa Antonella Bogoni. ROAM ha perseguito attivamente lo sfruttamento di questa proprietà molto speciale della luce al fine di incrementare la capacità di trasmissione delle fibre per collegamenti a breve portata e alta densità. Il concetto principale per incrementare la capacità è rappresentato dalla combinazione di due differenti tecniche ortogonali di multiplazione: multiplazione a divisione di modi usando OAM con multiplazione a divisione di lunghezza d’onda (WDM). Combinando OAM e WDM, la squadra del progetto è riuscita a dimostrare con successo la possibilità di trasmettere multipli canali indipendenti di dati sullo stesso collegamento in fibra. Inizialmente, gli scienziati hanno effettualo la multiplazione di 10 modi coassiali OAM trasmessi simultaneamente su 16 lunghezze d’onda su una fibra lunga 1 km. Il sistema di trasmissione a fibre ottiche con multiplazione è stato quindi in grado di fornire 160 canali dati. La ricerca si è concentrata sull’ampliamento del campo della trasmissione a fibre ottiche. «Siamo riusciti a effettuare la multiplazione combinata di 8 modi OAM su 10 lunghezze d’onda, ciascuna trasportante un flusso di dati da 32 Gb, che rappresenta l’attuale stato dell’arte», osserva la prof.ssa Bogoni. La squadra del progetto ha mostrato con successo che i modi OAM possono essere trasmessi fino a un massimo di 10 km. La multiplazione OAM ha dimostrato una piena compatibilità con tecnologie preesistenti, trasportando allo stesso tempo un overhead di codifica del canale ridotto al minimo. Commutatori ad alte prestazioni nei centri di elaborazione dati Le tradizionali interconnessioni elettriche dei centri di elaborazione dati sono affette da basse velocità di trasmissione dati, scarsa flessibilità e problemi di scalabilità, e da un maggiore consumo energetico. La commutazione ottica ha pertanto iniziato a guadagnare sempre più terreno dal momento che può fornire una migliore scalabilità mediante lo sfruttamento di molti campi quali lunghezza d’onda, spazio e tempo. La squadra di ROAM ha lavorato allo sviluppo di un commutatore riconfigurabile basato sulla fotonica al silicio mediante la manipolazione di differenti modi OAM e lunghezze d’onda WDM. «L’aggiunta di un ulteriore campo di commutazione all’interno di una rete di interconnessione multistrato può incrementare ulteriormente la scalabilità dei commutatori ottici e ridurre il consumo energetico», spiega la prof.ssa Bogoni. Dapprima, la squadra ha dimostrato un nuovo commutatore fotonico al silicio che è altamente scalabile e ha un basso consumo energetico. Sfruttando una combinazione di 10 modi OAM e 16 lunghezze d’onda WDM a velocità di trasmissione dati di 30 Gb, la capacità totale del commutatore ha raggiunto i 20 Tb al secondo, consentendo un’aggregazione del traffico altamente scalabile. Questa soluzione per il commutatore è stata collegata a gruppi standard di fibre ottiche per renderla del tutto compatibile con le architetture degli attuali centri di elaborazione dati. Lo sviluppo di un dispositivo sulla scala di un chip in grado di generare, manipolare e commutare tra modi OAM significa che ci sono diverse applicazioni che vanno al di là dei sistemi di trasmissione ottica, tra cui immaginografia, meccanica quantistica e rilevamento.
Parole chiave
ROAM, momento orbitale angolare (OAM), modi, multiplazione, centri di elaborazione dati, multiplazione a divisione di lunghezza d’onda (WDM), fibre ottiche, commutatore ottico, scalabilità, capacità di trasmissione
