L'amplificazione ottica e l'ottica integrata su vetro

In questi ultimi anni, si è assistito ad uno sviluppo impressionante dei mezzi di comunicazione: l'utilizzo del calcolatore, di Internet e delle reti di telefonia mobile ha avuto una spinta impensabile anche solo un ventennio fa. Diverse sono le cause che hanno reso possibile tale crescita, ma una delle più rilevanti è stato senza dubbio la messa a punto di nuove tecnologie di comunicazione ottica che presentano dei vantaggi rilevanti rispetto alle tecniche elettroniche di tipo più tradizionale:

Amplificazione e rigenerazione

All'interno di un sistema di telecomunicazione ottica, uno dei parametri più importanti è certamente l'attenuazione per unità di lunghezza, la quale condiziona il tratto di lunghezza massima di fibra ottica che possiamo stendere senza intervenire sul segnale per amplificarlo o rigenerarlo prima che venga sovrastato dal rumore.

Purtroppo, l'attenuazione non è il solo fenomeno ad entrare in gioco in una fibra ottica; in altre parole, se inviamo un impulso all'ingresso di una fibra di una certa lunghezza, lo ritroviamo in uscita ovviamente attenuato, ma pure modificato nella sua forma. Il fenomeno fisico che dà luogo a tale effetto va sotto il nome di dispersione; possiamo identificare tre cause separate che intervengono in una fibra ottica:

Il primo fenomeno può essere completamente eliminato attraverso la realizzazione di fibre ottiche più sottili, all'interno delle quali possa propagarsi un solo modo; la birifrangenza costituisce inoltre un aspetto praticamente trascurabile nelle fibre ottiche in silice convenzionali in assenza di sollecitazioni meccaniche. Il terzo fenomeno, invece, è caratteristico del materiale utilizzato per la costruzione della fibra; se per la silice intorno a 1550nm abbiamo il minimo di attenuazione (terza finestra delle telecomunicazioni ottiche), presso 1310nm si trova il minimo di dispersione cromatica (seconda finestra).

A causa della presenza del rumore termico di fondo nelle trasmissioni punto a punto a lunga distanza, sulla linea sono presenti dei ripetitori i quali si occupano periodicamente di riportare il segnale ad un certo livello per evitare che venga sovrastato dal rumore. Tale soluzione è classica, non fa riferimento solo alle comunicazioni ottiche, ma viene usata anche per i collegamenti hertziani in spazio libero od i cavi telefonici convenzionali. Poiché la maggior parte delle comunicazioni ottiche a grande distanza sono di tipo numerico, si hanno due alternative costruttive per il ripetitore:

La seconda soluzione offre il vantaggio (peculiare delle comunicazioni numeriche) di recuperare totalmente le distorsioni introdotte dalla linea, se queste non sono tali da compromettere totalmente la demodulazione al livello del ripetitore. Ovviamente, l'utilizzo di codici correttori o di tecniche avanzate di trattamento dell'informazione può essere interessante per incrementare la qualità complessiva della trasmissione.

L'amplificazione ottica

La possibilità di utilizzare degli amplificatori-rigeneratori costituisce un'opportunità interessante soprattutto quando si ha a che fare con canali a banda non troppo larga, in cui la distorsione gioca un ruolo relativamente importante. Tale soluzione è effettuabile esclusivamente in forma elettronica.

L'introduzione di elementi elettronici all'interno della linea costituisce tuttavia una limitazione molto pesante in termini di banda passante, costo ed affidabilità.

E' per questo motivo che si è sviluppata la tecnologia, peraltro relativamente recente, dell'amplificazione ottica. La soluzione è semplice ed elegante: introducendo delle impurezze in una fibra ottica della lunghezza di qualche metro (in particolare, meno di qualche punto percentuale in peso di ossidi di certe terre rare), è possibile introdurre dei livelli energetici i quali possono  amplificare attraverso il fenomeno di emissione stimolata i fotoni incidenti ad un'opportuna lunghezza d'onda. In altre parole, il sistema è concettualmente identico ad un laser, al quale manca tuttavia la cavità risonante1.

La realizzazione della semplice funzione di amplificazione analogica in forma ottica rappresenta dunque un guadagno netto in termini di prestazioni complessive del sistema di comunicazione. Inoltre, l'amplificazione ottica consente di mettere a punto delle tecnologie di multiplazione in lunghezza d'onda (WDM), le quali permettono di moltiplicare il flusso d'informazioni che può essere inviato contemporaneamente su una sola fibra.

Un laser di pompa costituisce l'alimentazione del dispositivo, necessaria a provocare la condizione d'inversione di popolazione indispensabile per avere l'amplificazione. Il fatto di avere un amplificatore sotto forma di una semplice fibra ottica riduce inoltre notevolmente tutti quei problemi di accoppiamento modale e di interconnessione, così importanti in ogni sistema ottico.

Il primo esemplare di un amplificatore ottico costituito da una fibra drogata con dell'erbio data del 1985 e la prima realizzazione di un cavo sottomarino intercontinentale utilizzante tale tecnica è del 1995 (TAT-12/13).

L'amplificazione ottica rappresenta una valida soluzione ai problemi di banda passante, i quali diventano importanti nel caso dell'applicazione di tecniche WDM, che consentono di raggiungere delle velocità di trasmissione impressionanti e totalmente al di fuori della portata di un sistema di trasmissione puramente elettronico.

L'utilizzo delle terre rare come drogaggio è dovuto al fatto che esse risultano interessanti per l'amplificazione ottica grazie alla loro particolare struttura elettronica ed al fatto che presentano delle transizioni esattamente ove servono per le telecomunicazioni sulla seconda e terza finestra.

Amplificatori in ottica integrata

Lo sviluppo e il conseguente interesse che si è sviluppato intorno alle comunicazioni ottiche ha fatto sì che diventasse economicamente conveniente lo studio e la messa a punto di reti di piccole e medie dimensioni, oltre ai collegamenti punto a punto a lunga distanza.

Le esigenze di una rete locale sono tuttavia piuttosto stringenti: sono necessari componenti diversi come divisori e ricombinatori, l'utilizzo di tecniche come la WDM richiede inoltre che risulti possibile estrarre e ricombinare una singola portante senza perturbare le altre. In altre parole, le funzioni richieste diventano via via sempre più complesse.

L'ottica integrata costituisce una risposta a tal genere di problematiche, le quali ricordano molto da vicino le esigenze che negli anni sessanta del XX secolo hanno portato allo sviluppo dell'elettronica integrata su semiconduttore:

L'ottica integrata cerca di costituire una risposta a tali esigenze, attraverso particolari tecniche le quali consentono di modificare localmente alcune proprietà fisiche di un substrato. La proprietà più importante ai fini del confinamento della luce è naturalmente la modifica dell'indice di rifrazione.

Fra i substrati che possono essere utilizzabili, ricordiamo la silice su silicio metallico (ottenibile con processi di ossidazione), il niobato di litio e, caso che ci interessa più da vicino, il vetro.

Per modificare localmente l'indice di rifrazione, una tecnica semplice e poco costosa che è utilizzabile nel caso di un substrato in vetro è il cosiddetto scambio ionico. Il vetro normalmente possiede una composizione complessa in cui ad un ossido formatore presente in grande percentuale (e che dà il nome al vetro) sono affiancati molti ossidi che modificano le proprietà chimiche e fisiche del tutto. Fra questi ultimi, normalmente sono presenti ossidi di metalli alcalini od alcalino-terrosi i quali vengono a trovarsi inglobati come ioni all'interno della struttura del vetro e sono relativamente mobili all'interno di essa. Lo scambio ionico consiste semplicemente nell'immergere il vetro che si vuole trattare all'interno di un bagno di sali fusi il quale permette di scambiare gli ioni presenti in prossimità della superficie con altri chimicamente simili. Tale sostituzione permette di modificare localmente le caratteristiche fisiche del vetro e, prestando le dovute attenzioni alla scelta della coppia di ioni che vengono scambiati, permette anche d'innalzare l'indice di rifrazione.

Il confinamento della luce avviene utilizzando il principio della riflessione totale interna; un innalzamento locale dell'indice di rifrazione consente dunque di realizzare dei componenti che possono guidare la luce.

L'utilizzo di tecniche di mascheratura attraverso la deposizione di uno strato di alluminio inciso con un processo di fotolitografia permette di definire delle geometrie molto precise all'interno delle quali lo scambio ionico può avere luogo. Attraverso tale tecnica, è possibile realizzare delle guide d'onda di buona qualità.

Per la realizzazione di componenti attivi, si hanno a questo punto due strade che possono esser seguite: è possibile drogare uniformemente il substrato rendendolo attivo in tutto il suo volume, oppure depositare (od incollare) degli strati attivi su un substrato passivo. La prima soluzione richiede l'introduzione del drogaggio già in sede di produzione del vetro, in quanto gli ossidi di terre rare vengono introdotti assieme ai costituenti fondamentali. La seconda soluzione consente di realizzare delle interessanti ibridazioni fra componenti attivi e non, ma pone delle difficoltà che la rendono ancora ad uno stato relativamente sperimentale.

Conclusioni

In questo intervento, abbiamo fatto una breve introduzione al problema dell'amplificazione ottica. Abbiamo trattato molto rapidamente l'ottica integrata per scambio ionico su vetro ed abbiamo visto come sia possibile realizzare degli amplificatori ottici con questa tecnologia.

Conviene comunque ricordare che attualmente non esiste una tecnologia dominante per l'ottica integrata, come esiste con la tecnologia CMOS in microelettronica. L'ottica integrata su vetro costituisce solo un tassello di un vastissimo panorama ancora molto variegato.

Note:


1 - Questo fatto è abbastanza generale: in elettronica ed in natura sono molti i sistemi oscillanti i quali sono formati da un elemento attivo (amplificatore) accoppiato in maniera più o meno forte con una cavità risonante, la quale introduce inoltre una reazione fra l'ingresso e l'uscita dell'amplificatore e fissa la frequenza di funzionamento di tutto il sistema.