Tecnologie ottiche: comunicare con la luce

La tecnologia Free-Space Optics (FSO), in cui si ha trasmissione di un raggio di luce visibile o all’infrarosso, è stata inizialmente adottata dal contesto militare e spaziale per comunicazioni sicure.

I collegamenti in fibra ottica garantiscono comunicazioni veloci e su lunga distanza, in grado di trasportare grandi quantità di dati, per cui sarebbe sempre e comunque la tecnologia da utilizzare, ma non sempre è economico e praticabile predisporre per ogni singolo utente un linea in fibra ottica separata. E allora si è pensato a un mix tecnologico, noto come “optical wireless”, termine con cui ci si riferisce all’uso combinato di due tecnologie per creare un sistema di telecomunicazione: le fibre ottiche come base, e la radiofrequenza come parte wireless (senza filo o senza cavo) della comunicazione. Nella pratica, i collegamenti su lunga distanza sono realizzati con cavi in fibra ottica fino a dei punti terminali, o Local Link, in cui si ha la trasformazione dei segnali ottici in segnali a radiofrequenza, poi ricevuti da altro Link Locale che può o diffondere il segnale sempre in modalità RF verso l’utente finale, oppure ripristinare il segnale ottico originario e reimmetterlo nelle fibre che collegano ogni utente. In effetti esiste una variante, in cui i Local Link prevedono dei sistemi laser, e in questo caso il segnale che arriva dalle fibre ottiche viene trasformato in segnale laser inviato a un successivo link locale dove, tramite elementi fotosensibili, si ha la trasformazione inversa, con reimissione dell’informazione in cavi in fibra per la fruizione da parte dell’utente finale. In sostanza, il collegamento in fibra ottica viene “interrotto” e per una certa tratta sostituito o da comunicazione RF o da luce laser. Nel tempo si sono definite varianti diverse di questi mix tecnologici, e anche versioni differenti di tecnologie basate sulla trasmissione di raggi luminosi nello spazio libero, in particolare Free Space Optical (FSO) Communication e Optical Wireless Broadband (OWB) in cui può anche non essere presente nessun cavo, con ciò intendendo nel nostro caso specifico l’assenza di fibra ottica e non di cavo di rame, da cui il significato più generale di “wireless”, cioè senza cavo, qualunque esso sia.

Free-Space Optics
Free-Space Optics (FSO), tecnologia denominata anche Free-Space Photonics (FSP) o LaserCom (Laser Communications), si riferisce alla trasmissione di un raggio di luce visibile o all’infrarosso attraverso l’atmosfera, per realizzare delle comunicazioni a larga banda. Da evidenziare che le basi concettuali della FSO non sono certo recenti: già nel 1880 Alexander Graham Bell aveva ideato un Fonofono, una specie di telegrafo basato su segnali di luce trasmessi tra due edifici distanti circa 200 metri. I concetti fondamentali della trasmissione di voce e dati tramite raggi luminosi sono poi rimasti sostanzialmente nell’ombra finchè negli anni ’60 gli ambienti militari, e non solo quelli degli Stati Uniti, hanno iniziato a interessarsi di questa possibile soluzione per la trasmissione di informazioni in modo sicuro. Il settore privato ha poi iniziato a sviluppare la tecnologia FSO per applicazioni commerciali solo alle soglie del 2000, con anche un certo successo, malgrado le difficoltà conseguenti una non costante affidabilità di questo metodo di comunicazione, come vedremo più avanti. Nelle attuali implementazioni FSO sono spesso usati fasci di luce emessi da laser, ma possono essere utilizzate anche sorgenti non laser, per esempio LED (light-emitting diode) o IRED (LED che emettono luce all’infrarosso). La teoria alla base della Free-Space Optics è essenzialmente quella relativa alle trasmissioni nelle fibre ottiche, con la differenza che il segnale luminoso è inviato attraverso l’etere da sorgente a destinazione e non confinato in una guida di luce, cioè in una fibra ottica, da cui la qualifica di “wireless” di questo sistema di trasmissione dati basato sulla luce. A livello sorgente, il segnale luminoso viene modulato con i dati da trasmettere, e alla destinazione il raggio viene intercettato da un photodetector, con estrazione, o demodulazione dei dati, cui fa seguito amplificazione e invio all’hardware di fruizione delle informazioni sotto forma di segnali elettrici. L’operatività può essere garantita su distanze di alcuni Km, posto vi sia una Line Of Sight (LOS) tra sorgente e destinazione; se necessario è possibile utilizzare un sistema di specchi per far riflettere la luce, senza che vi sia un’attenuazione particolarmente sensibile. Il difetto principale di questa tecnologia è la sua sensibilità a pioggia, polvere, nebbia, smog, condizioni che possono impedire corretta trasmissione e ricezione dei segnali. Per esemplificare, un free space optics laser link commerciale può garantire un data rate di 1Gbit/sec fino a 2Km di distanza. Come applicazioni emblematiche di FSO si possono citare due estremi. Il primo riguarda lo standard IrDa, da Infrared Data Association), che fa uso di radiazione infrarossa per la trasmissione wireless di dati a breve distanza, 1 o 2 metri massimo, con data rate tipico di 4Mbit/s; questo standard era molto usato per computer portatili e altri device, ma è poi stato soppiantato dal Bluetooth, standard “wireless” dove questa denominazione va intesa nel senso usuale del termine, riferendosi a trasmissioni RF e non via cavo in rame.
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Optical Wireless Broadband (OWB)
Questa tecnologia rappresenta la nuova generazione di “optical light technology”, evoluzione della Free-Space Optics di cui ne è l’attuale stato dell’arte. Per esemplificare le attuali possibilità commerciali, uno tra i produttori leader del settore, la società Skyfiber, propone sistemi che possono trasmettere voce, video e dati a 100 Mbps e a 1,25 Gbps, ed è prevista a breve l’uscita di nuove versioni a 2,5 Gbps e a 10 Gbps, valore quest’ultimo migliaia di volte superiore alla velocità di una normale connessione DSL. Da sottolineare che grazie a innovazioni sia sul fronte dell’hardware che su quello del software, si sono potuti raggiungere livelli di affidabilità operativa che non era possibile garantire con la precedente FSO. Operativamente i sistemi OWB lavorano nello stesso modo di un cavo in fibra ottica: a un terminale, quello a lato trasmissione, il sistema è collegato a un cavo in fibra ottica in cui si immettono i dati sotto forma di segnali luminosi; successivamente si ha la trasmissione dei “light beam” di luce visibile o all’infrarosso nello spettro dei Terahertz, con successiva focalizzazione a destinazione tramite lenti collegate via fibre ottiche a ricevitori di elevata sensibilità. A questo punto l’informazione può continuare a viaggiare in fibra verso le stazioni di fruizione oppure subire una conversione in segnale a radiofrequenza secondo le modalità WiFi, e raggiungere l’utente finale. Le soluzioni OWB sono molto versatili, potendo essere installate sia indoor che outdoor, e in questo caso sui tetti di edifici o su torri predisposte allo scopo. Attualmente la distanza ottimale per un carrier-grade OWB system va dai 500m ai 2Km, ma non mancano applicazioni di tipo point-to-multipoint o di tipo mesh (a maglia) dove con accorgimenti strutturali basati su elementi riflettenti si può espandere la copertura del segnale. Dato che i fasci luminosi sono in genere costituiti da luce laser, viene spontanea una domanda in merito alla sicurezza.
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