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Progetto ECSTATIC: le fibre ottiche per l’ambiente e le emergenze

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Luca Palmieri Progetto ECSTATIC

PROGETTO ECSTATIC – AMBIENTE, FIBRE OTTICHE ED EMERGENZE – Sorveglianza terremoti e tsunami, monitoraggio infrastrutture e rilevamento anomalie

L’Università di Padova nel progetto europeo ECSTATIC che si propone di utilizzare le fibre ottiche per monitorare l’ambiente in tempo reale e agire rapidamente in caso di emergenze

Il nostro pianeta è avvolto da una rete di miliardi di chilometri di fibra ottica, attraverso la quale viene trasmessa tutta l’informazione che viaggia su Internet.  Grazie ai recenti sviluppi tecnologici, la comunità scientifica apre una nuova opportunità nel monitoraggio dell’ambiente: utilizzare le reti di telecomunicazioni in fibra ottica già esistenti come sistema di rilevamento ambientale distribuito a livello planetario.

Il Progetto ECSTATIC

Trasformare le reti di telecomunicazioni in un sistema di sensing distribuito su scala globale, con applicazioni che spaziano dalla sorveglianza ambientale (come il tracciamento di terremoti e tsunami) al monitoraggio delle infrastrutture e al rilevamento di anomalie, è il target del progetto ECSTATIC. Tuttavia, ciò richiede una revisione delle specifiche delle tecniche di comunicazione, delle caratteristiche dei segnali e dei dispositivi, nonché dei progetti e delle architetture di sistema, per realizzare il potenziale di utilizzo in altri contesti, sfruttando così il valore considerevole derivante dai costi significativi di installazione delle reti.

ECSTATIC, che ha durata quadriennale, ha ricevuto finanziamenti per oltre quattro milioni di euro dal programma di ricerca e innovazione Horizon Europe dell’Unione Europea, e coinvolge 14 partner europei. Tra questi il team del Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione (DEI) dell’Università di Padova, guidato dal prof. Luca Palmieri, si occupa dello sviluppo di un innovativo sistema che permetterà di usare i cavi in fibra ottica sottomarini come sensori ambientali. L’attività di ricerca, svolta in stretta collaborazione con l’Università dell’Aquila e Sparkle, culminerà con una sperimentazione sul cavo BlueMed di Sparkle, che va da Genova a Palermo attraverso il Tirreno.

«La fibra ottica si trova ovunque, anche nei luoghi più inaccessibili, come il fondale di mari e oceani, ed è un ottimo mezzo di comunicazione», sottolinea Luca Palmieri, docente di Campi Elettromagnetici e responsabile del progetto per l’Università di Padova. «Tuttavia, i ricevitori devono costantemente stimare ed equalizzare i canali di trasmissione per garantire che Internet funzioni regolarmente. Nel fare questa stima, i ricevitori stanno anche, indirettamente, misurando l’ambiente. Da questa considerazione è nata l’idea di utilizzare le reti di comunicazione ottiche esistenti per rilevare terremoti, tsunami, vibrazioni anomale di infrastrutture civili, come ponti e grattacieli, ma anche strade e autostrade. Si pensi, ad esempio, a un treno che passa sopra un ponte, dove tipicamente passano anche i cavi in fibra ottica; il ponte vibra al passaggio del treno e continua a vibrare anche dopo che il treno è passato. Analizzando queste vibrazioni “residue”, si possono raccogliere informazioni sullo stato di salute del ponte. Per immaginare l’enorme potenzialità di monitoraggio ambientale della fibra ottica – conclude Palmieri – basti pensare che, con i sistemi di interrogazione sviluppati in ECSTATIC, 20 chilometri di fibra sono come avere una sequenza di 2000 microfoni, uno ogni 10 metri, per cui è anche possibile localizzare un’eventuale anomalia locale e intervenire puntualmente».

Ruolo scientifico di Padova in ECSTATIC

Per cogliere questa opportunità, il progetto ECSTATIC progetterà e svilupperà tecnologie innovative di sensing basate su interferometria e polarizzazione, che rappresentano un avanzamento sostanziale rispetto allo stato dell’arte nelle tecniche di sensing a fibra ottica per vibrazioni e acustica, in termini di portata, sensibilità e capacità di localizzazione. Queste soluzioni offriranno un’ampia gamma di opzioni efficaci, personalizzabili per diversi casi d’uso, garantendo al contempo la coesistenza del segnale di sensing con il traffico dati attivo. Nell’ambito del progetto ECSTATIC il team dell’Università di Padova porterà la sua decennale esperienza e profonda conoscenza delle proprietà di polarizzazione delle fibre ottiche. Le fibre ottiche generano sempre una luce retro diffusa, una specie di debole eco che permette di caratterizzarne le proprietà locali. Il team di Padova svilupperà un sistema che, misurando la polarizzazione di questa eco e localizzandole l’origine, sarà in grado di trasformare un collegamento sottomarino in un sofisticato sensore acustico e di vibrazioni. In conclusione, le fibre ottiche non servono solo a trasportare dati lungo le dorsali di Internet ma possono essere strumenti efficaci e sostenibili per la sicurezza e il monitoraggio ambientale in tempo reale. 

Luca Palmieri è professore ordinario di Campi Elettromagnetici al Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione dell’Università di Padova, dove tiene corsi sui sistemi di comunicazione in fibra ottica e il loro utilizzo come sensori. Fa parte del Gruppo di Fotonica ed Elettromagnetismo del Dipartimento (https://peg.dei.unipd.it/), rinomato a livello internazionale per le ricerche svolte nell’ambito della caratterizzazione e modellazione di fibre ottiche innovative e della loro applicazione al monitoraggio ambientale, strutturale e civile.

Il Progetto ECSTATIC (https://ecstatic-project.eu/project/) è realizzato da un consorzio di 14 partner europei: Aston University, Chalmers University of Technology, Enlightra, Modus Research and Innovation, National Observatory Athens, NetworkRail, Nokia, OTE Group of Companies, Sparkle, Universidad de Alcalá, Università degli Studi dell’Aquila, Università degli Studi di Padova, Universitat Jaume I, University of West Attika e ha ricevuto finanziamenti con il grant agreement n. 101189595. Il progetto è su Cordis (https://cordis.europa.eu/project/id/101189595/it) il sito del servizio Comunitario di Informazione in materia di Ricerca e Sviluppo.

Luca Palmieri Progetto ECSTATIC
Luca Palmieri

Testo e foto dall’Ufficio Stampa dell’Università di Padova

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Fisica

Un arcobaleno di luce per potenziare le telecomunicazioni 

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arcobaleno laser spirale luce telecomunicazioni

Un arcobaleno di luce per potenziare le telecomunicazioni
Una ricerca condotta dalla Sapienza, in collaborazione con l’Università di Brescia, con l’Istituto Xlim di Limoges in Francia e con la Southern Methodist University di Dallas negli Stati Uniti d’America, ha dimostrato un metodo semplice ed economico per generare fasci laser arcobaleno a spirale, applicabili in diversi ambiti, dalle telecomunicazioni, all’ottica quantistica. Lo studio è pubblicato su Scientific Reports.

arcobaleno laser spirale luce telecomunicazioni

Comprendere esattamente la forma della luce è sempre stata una sfida complessa, fin dai tempi di Newton, che immaginava che la luce solare fosse composta da particelle. Oggi sappiamo che la luce è un’onda elettromagnetica e attribuirle una forma risulta più facile: comunemente, infatti, entriamo in contatto con oggetti luminosi di una forma definita, come ologrammi o fasci laser, che possono essere considerati raggi di luce.

Ma è possibile intervenire su un raggio laser cambiandone la forma: questo accade quando si agisce sul fronte d’onda della radiazione elettromagnetica (ossia nei punti dove la fase dell’onda è costante) ottenendo la cosiddetta luce strutturata che può assumere le più svariate forme (o strutturazioni).

Tra le infinite strutturazioni che è possibile dare alla luce, particolarmente studiate sono quelle a forma di spirale. I fasci laser a spirale, infatti, per le loro caratteristiche uniche, trovano applicazione in campi di frontiera, come la biofisica e le tecnologie quantistiche.

Un nuovo studio pubblicato sulla rivista Scientific Reports e coordinato da Stefan Wabnitz del Dipartimento di Ingegneria dell’informazione, elettronica e telecomunicazioni di Sapienza, propone un metodo per realizzare fasci a forma di spirale a partire da piccoli segmenti di fibre ottiche: sfruttando la geometria cilindrica della fibra ottica per guidare la luce lungo un percorso elicoidale, il fronte d’onda che serve all’emissione di un fascio a spirale, finisce per prodursi spontaneamente. Un metodo economico e semplice, che non richiede alcuna nanofabbricazione: bastano infatti solo alcuni elementi facilmente reperibili, quali un laser, una lente convergente e pochi centimetri di fibra ottica standard.

Il lavoro, sviluppato con la collaborazione dell’Università di Brescia, l’istituto universitario XLIM di Limoges e la Southern Methodist University americana, rientra nel progetto STEMS di Horizon 2020 finanziato dall’European Research Council.

Comunemente la realizzazione di luce strutturata richiede l’uso di sistemi ottici dedicati: è necessario munire di volta in volta un fascio laser del corretto fronte d’onda al fine di generare la strutturazione desiderata. Ciò viene realizzato tramite maschere ad hoc che però hanno funzionalità ancora poco duttili. Esistono anche metodi più flessibili che utilizzano strumenti basati sui cristalli liquidi. Tuttavia, queste tecnologie risultano essere molto costose, oltre che ingombranti.

“Uno degli elementi chiave della nostra ricerca è la linearità del fenomeno – dichiara Stefan Wabnitz – ovvero il fatto che la generazione di fasci a spirale, con questo metodo, prescinda dalla potenza del laser impiegato. Basti pensare – aggiunge Wabnitz – che siamo riusciti a produrre in laboratorio un fascio a spirale utilizzando come sorgente un comune puntatore laser acquistabile nei negozi di elettronica”.

Se invece vengono utilizzati laser ad alta potenza, andando a generare effetti non lineari, è possibile osservare un fenomeno molto particolare sotto il profilo cromatico: la spirale, originariamente di un solo colore, acquista tutte le tonalità, dal rosso al violetto.

“Tali colori spontaneamente si organizzano per formare un arcobaleno di forma spirale – sottolinea Mario Ferraro, ricercatore della Sapienza – Questa peculiare forma multicolore non può essere realizzata con metodi convenzionali, e troverà certamente impiego in diversi campi applicativi, dall’ottica quantistica alle telecomunicazioni”.

Riferimenti:

Rainbow Archimedean spiral emission from optical fibres – Fabio Mangini, Mario Ferraro, Vladimir L Kalashnikov, Alioune Niang, Tigran Mansuryan, Fabrizio Frezza, Alessandro Tonello, Vincent Couderc, Alejandro Aceves, Stefan Wabnitz – Scientific Reports 2021. DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-021-92313-w

Testo e foto dal Settore Ufficio stampa e comunicazione Sapienza Università di Roma

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Fisica

Una nuova frontiera per le telecomunicazioni ottiche

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telecomunicazioni solitoni

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.

telecomunicazioni solitoni
Una nuova frontiera per le telecomunicazioni ottiche; nell’immagine un solitone. Foto Christophe.Finot et Kamal HAMMANI – Laboratoire Interdisciplinaire CARNOT de Bourgogne, UMR 5209 CNRS-Université de Bourgogne, Dijon, Bourgogne, FRANCE Department of Physics of the University of Bourgogne Équipe Solitons, Lasers et Communications Optiques web site, CC BY-SA 2.5

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

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