Una nuova frontiera per le telecomunicazioni ottiche

Un gruppo di ricercatori del Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione, elettronica e delle telecomunicazioni della Sapienza, in collaborazione con l’Università di Brescia e l’Università di Stato russa di Novosibirsk, ha scoperto nuove peculiari proprietà nei solitoni, un particolare tipo di onde luminose in grado di propagarsi indefinitamente nelle fibre ottiche. I risultati dello studio, presentati sulla rivista Communications Physics, aprono la strada a un nuovo tipo di propagazione ottica multimodo, applicabile nelle telecomunicazioni e nei laser a fibra.

Le fibre ottiche vengono utilizzate per trasmettere energia luminosa in modo guidato e senza interferenze elettromagnetiche. Tale propagazione può avvenire in maniera monomodale o multimodale: nelle fibre monomodali la propagazione del segnale luminoso avviene in un solo modo e rispetto alle fibre multimodali vi è una minore attenuazione e dispersione del segnale.

La ricerca sulla trasmissione di dati in fibre ottiche multimodo risale a circa 40 anni fa, quando venne prevista l’esistenza di impulsi luminosi particolari, detti solitoni spaziotemporali o multimodo, in grado di propagarsi indefinitamente lungo le fibre, grazie a un delicato meccanismo di compensazione tra gli effetti dispersivi e quelli non lineari.

Negli ultimi decenni i solitoni ottici, divenuti mattoni essenziali nel costruire sorgenti di luce laser a impulsi ultracorti, sono stati proposti anche come veicoli ideali per trasmettere dati nelle autostrade dell’informazione a fibra ottica che formano la spina dorsale di internet. Le teorie sviluppate negli anni passati attribuivano ai solitoni nelle fibre multimodo una evoluzione stabile e ripetitiva, man mano che si propagano lungo la fibra, eppure questa evoluzione periodica dell’impulso non è mai stata osservata sperimentalmente.

Oggi, gli studi del gruppo di ricerca coordinato da Stefan Wabnitz del Dipartimento di Ingegneria dell’informazione, elettronica e delle telecomunicazioni (DIET) della Sapienza, sviluppati in seno a un progetto di ricerca avanzata finanziato dal programma europeo Horizon 2020 tramite lo European Research Council (ERC), infrangono le previsioni teoriche comunemente accettate. Nel lavoro, svolto in collaborazione con l’Università di Brescia e l’Università di Stato russa di Novosibirsk e pubblicato sulla rivista Communications Physics, è stato dimostrato per la prima volta a livello sperimentale che i solitoni multimodo non seguono il comportamento periodico, ma, al contrario, tali impulsi evolvono spontaneamente verso delle forme d’onda singolo modo, che cioè si propagano nel modo fondamentale della fibra.

È stato inoltre osservato, in maniera inaspettata, che i solitoni nel propagarsi acquistano una durata temporale fissa, che dipende unicamente dalla lunghezza d’onda della radiazione luminosa iniettata all’ingresso della fibra. La durata temporale caratteristica di questi impulsi luminosi, alle lunghezze d’onda tipiche delle telecomunicazioni, è risultata estremamente piccola (100-200 femtosecondi) e pressoché indipendente dalla durata temporale dell’impulso laser originale, che viene accoppiato all’ingresso della fibra.

Questa ricerca ha fornito anche un supporto teorico e numerico alle osservazioni sperimentali, individuando come condizione essenziale per la formazione di tali impulsi la coincidenza tra tre distinte scale di lunghezza: la lunghezza associata alla non linearità della fibra, quella associata all’allargamento temporale dovuto alla dispersione cromatica, e quella associata allo scorrimento temporale o “walk-off”, ovvero la distanza entro la quale i modi di una fibra si separano temporalmente per effetto della dispersione modale.

Finora, la trasmissione in fibre ottiche multimodo ha permesso di sfruttare la tecnica della multiplazione nel dominio dello spazio (Space Division Multiplexing – SDM) utilizzando ciascun modo della fibra come canale di informazione. Con questo meccanismo, più canali trasmissivi in ingresso condividono la stessa capacità trasmissiva disponibile in uscita, ovvero si combinano più segnali in uno (detto multiplato) trasmesso in uscita su uno stesso collegamento fisico.

“Questo studio – spiega Mario Zitelli della Sapienza, che ha condotto le verifiche sperimentali – apre la possibilità di realizzare un SDM solitonico, con canali realizzati da gruppi di modi con diverse velocità, dove ogni canale trasmette una quantità elementare di informazioni mediante la propagazione di un singolo solitone spaziotemporale, caratterizzato da alta potenza luminosa e forte robustezza.”

“L’impiego di solitoni spaziotemporali di durata fissa – aggiunge Zitelli – potrà permettere di realizzare laser in fibra multimodo particolarmente stabili, grazie alla naturale predisposizione dell’impulso luminoso ad assumere una precisa durata temporale”.

“Il nostro lavoro – conclude Stefan Wabnitz – chiarisce il ruolo dei solitoni spaziotemporali in una fibra multimodo e contribuisce agli sforzi della ricerca sullo sviluppo di nuove tecniche di trasmissione ottica e di nuovi laser, che porteranno a un incremento della capacità di trasmissione in fibra, e allo sviluppo di nuove sorgenti ottiche di impulsi ultracorti ad alta energia”.

Questi risultati aprono la strada a un nuovo tipo di propagazione ottica in fibra multimodo, applicabile nelle telecomunicazioni e nei laser a fibra.

Riferimenti: 

Conditions for walk-off soliton generation in a multimode fiber – Mario Zitelli, Fabio Mangini, Mario Ferraro, Oleg Sidelnikov, Stefan Wabnitz – Communications Physics 2021, 4:182. DOI: https://doi.org/10.1038/s42005-021-00687-0

Testo dal Settore Ufficio stampa e comunicazione Sapienza Università di Roma