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1 Silvio Abrate (Coordinatore PhotonLab - Istituto Superiore Mario Boella Torino) NOTE FIBRE OTTICHE PLASTICHE PER TELECOMUNICAZIONI SU BREVE DISTANZA (PLASTIC OPTICAL FIBERS -POF- FOR SHORT-DISTANCE COMMUNICATIONS) Sommario: In questo articolo descriveremo come le fibre ottiche plastiche con core da 1mm e fatte in PMMA, a dispetto delle loro limitate caratteristiche rispetto alle fibre in vetro, siano in grado di fornire una valida alternativa al cavo in rame per applicazioni a bit-rate contenuti su brevi distanze. Abstract: in this paper we will describe how 1mm core Polymer Optical Fibers, made of PMMA, despite their limited characteristics with respect to glass fibers, can be a valuable alternative to copper cable for low-bit-rate and shortdistance applications. 1 Introduzione I costanti progressi nel mondo delle telecomunicazioni rendono spesso inadeguato, in termini di prestazioni, il consueto e diffuso cavo in rame, che la fa da padrone non solo in ambito di Local Area Network, ma spesso anche nell ultimo miglio (es. ADSL); inoltre, i crescenti costi della materia prima stessa suggeriscono di cercare mezzi alternativi anche laddove le prestazioni dei cavi convenzionali siano sufficienti. Le fibre ottiche in vetro sono un mezzo concepito per il trasporto di informazioni nelle grandi dorsali (backbone), viste le loro prestazioni in termini di capacità di trasporto dati e distanza del collegamento rispetto a qualunque altro mezzo. Attualmente, il costo del cavo in fibra ottica è confrontabile con il convenzionale doppino in rame, tuttavia l installazione è complessa e richiede personale specializzato, tanto da stimare che il costo per una installazione sia dovuto per oltre il 70% alla manodopera. In seguito a tali considerazioni, è impensabile ipotizzarne un utilizzo laddove le loro prestazioni non siano giustificate dalla domanda di traffico, e pertanto si può pensare ad un tipo di fibre ottiche a prestazioni ridotte ma che ne risolvano le problematiche di installazione. In particolare, stanno guadagnando crescente interesse in alcune nicchie di mercato (quali l automazione industriale o il car entertainment basato su protocollo MOST) fibre ottiche a profilo di indice a gradino (Step Index) realizzate in Poli-Metil-Meta-Acrilato (PMMA) con un diametro di core di 1mm, che d ora in poi chiameremo POF (Polymer Optical Fibres, da non confondere con altri tipi di fibre plastiche, ad esempio con polimero perfluorinato oppure con profilo di indice di rifrazione a variazione graduale). Queste fibre mantengono i vantaggi tipici delle fibre ottiche, come ad esempio l intrinseca immunità da problemi di compatibilità elettromagnetica, ed aggiungo alcune migliorie nei confronti delle fibre ottiche in vetro: - raggio di curvatura più ristretto; - elevata resistenza meccanica; - utilizzo luce visibile (rosso, verde, blu), con 73

2 NOTE Silvio Abrate intrinseca sicurezza per la retina e prima indicazione visiva di funzionamento; - facilità di installazione e connettorizzazione anche per personale non specializzato, con conseguente riduzione dei relativi costi (con possibilità di installazioni anche connectorless); - possibilità di installazione negli esistenti condotti elettrici; - elevata robustezza in ambienti ostili (es. ambiente umido-salino). Queste caratteristiche, da pagarsi in termini di prestazioni come sarà evidenziato nel prossimo paragrafo, le rendono di interesse per ambienti domestici o comunque di Local Area Network, oltre agli scenari di nicchia precedentemente indicati, ossia dove le prestazioni possono essere limitate, con un indubbio vantaggio in termini di facilità e costo di installazione. I limiti prestazionali Questa facilità d uso si paga tuttavia in termini di prestazioni. Infatti, le attuali PMMA SI-POF sono caratterizzate sia da perdite elevate (a causa del materiale utilizzato: da 0.08dB/m a 0,2dB/m a seconda della lunghezza d onda), sia da una forte dispersione intermodale che limita la banda disponibile (il numero di modi che si propagano in una SI-POF standard a 650nm è stimato nell ordine di 3 milioni). Dal grafico in figura 1 si nota come, anche per distanze brevi, la banda disponibile sia piuttosto limitata: se già a 100m si ha una banda di soli 30MHz, a 400m la banda disponibile è di soli 9MHz. Occorre dunque, per raggiungere prestazioni interessanti utilizzando questo mezzo fisico, ricorrere a tecniche della telecomunicazioni e della teoria dell informazione che non sono tipiche delle comunicazioni ottiche perlomeno a breve distanza: oltre all utilizzo di codici a correzione d errore (FEC), si può pensare a formati di modulazione multilivello invece che al convenzionale On-Off Keying (in figura 2 si riporta il prodotto bit-rate per distanza per vari formati di modulazione di ampiezza), a tecniche di equalizzazione. Figura 1: banda elettrica disponibile per collegamenti POF di varie lunghezze. Attività sperimentali Negli anni il gruppo di ricerca del laboratorio PhotonLab dell Istituto Superiore Mario Boella (ISMB) si è concentrato sull obbiettivo di estrarre il massimo delle prestazioni dalle POF, prendendo come riferimento il protocollo Ethernet, ossia mirando ai bit rate tipici quali 10Mb/s, 100Mb/s, 1Gb/s sulle maggiori distanze possibili, e di seguito si fa un rapido resoconto delle tecniche utilizzate e dei risultati ottenuti. Figura 2: rapporto distanza-bitrate. Sulla linea tratteggiata è indicata la power penalty a seconda del numero di bit per simbolo, sulla linea continua la corrispondente banda moda- 74

3 FIBRE OTTICHE PLASTICHE PER TELECOMUNICAZIONI SU BREVE DISTANZA (PLASTIC OPTICAL FIBERS (POF) FOR SHORT-DISTANCE COMMUNICATIONS) NOTE Ethernet Sebbene 10Mb/s possa sembrare un obiettivo modesto, la connessione tipica non-business oggi disponibile in Italia raramente giunge a queste prestazioni; inoltre, il primo operatore che ha introdotto il FTTH in Italia offre questo tipo di connessione con fibra ottica in vetro multimodo, con evidenti difficoltà di installazione dovuta alla delicatezza del cavo (in particolare, la risalita lungo le canaline di un condominio pare comportare parecchie rotture, al punto da limitare a 2 il numero di istallazioni giornaliere che una squadra è in grado di effettuare. Si stima che il 90% delle connessioni dal Gigarouter all apparato domestico sia incluso in una distanza inferiore ai 300m). Come evidente da figura 1, su una distanza di 400m la banda disponibile è di 9MHz, sufficiente per una trasmissione convenzionale a due livelli; il sistema è dunque evidentemente limitato in attenuazione prima che in banda. Per superare queste limitazioni, il sistema è stato progettato secondo i seguenti criteri: - trasmissione nel verde, dove la POF ha il suo minimo di attenuazione. LED verdi sono più lenti di quelli nel rosso, tuttavia sufficienti per trasmissioni a 10Mb/s in quanto l unità scelta ha banda di 35MHz, mentre il ricevitore ha banda di 25Mhz e amplificatore a trans impedenza integrato; - introduzione di codifica FEC del tipo RS(1053, 959), che migliora il power budget di 6dB; - utilizzo di codifica di linea NRZ in sostituzione della Manchester utilizzata da Ethernet, per ridurre la domanda di banda. Introdurre la codifica FEC, che lavora su blocchi sincroni, ha richiesto un pesante lavoro di programmazione del livello 2, ossia del MAC, poiché è stato necessario introdurre una sincronizzazione nei pacchetti in arrivo poiché il protocollo Ethernet è intrinsecamente asincrono: l introduzione di blocchi tali da compensare i vuoti di trasmissione ha permesso di ottenere un flusso di dati continuo all ingresso del codificatore. Tutte queste misure hanno permesso di ottenere un power budget dell ordine dei 40dB. Fig. 3: occhio ricevuto dopo trasmissione su400, con connettore intermedio In figura 3 è riportato il diagramma ad occhio ricevuto dopo una trasmissione su 400m con un connettore intermedio. Il tutto è stato programmato su di una logica FPGA, ed il sistema ha sperimentalmente dimostrato di essere in grado di superare una distanza di 425m ([FastPOF]), largamente sufficiente per le specifiche da operatore precedentemente indicate (10Mb/s su 300m) e superiore ad ogni prestazione ottenibile con il rame. Fast Ethernet 100Mb/s è oggi la velocità maggiormente utilizzata sulla interfacce di rete dei PC: nonostante le schede siano solitamente del tipo 10/100/1000, lo stesso bus interno del PC non è in grado di fornire traffico a tale velocità. ISMB ha coordinato il progetto europeo POF-ALL ([POFALL1]), il cui obiettivo principale, ma non unico, era la trasmissione di uno stream 100Mb/s su una distanza di 300m utilizzando cavi POF. In questo caso, capire se il sistema è limitato prima in attenuazione o in banda non è immediato. Dopo una lunga campagna di simulazione, ISMB ha deciso di intraprendere le seguenti scelte tecniche: - trasmissione nel verde, con la stessa optoelettronica utilizzata per la trasmissione Ethernet; - formato di modulazione multilivello 8-PAM; - compensazione delle non-linearità del LED (per trasmissioni multilivello è fondamenta- 75

4 NOTE Silvio Abrate le avere linearità al trasmettitore); - pre-equalizzazione al trasmettitore con un filtro FIR a 20 prese, con funzione di trasferimento da compensare che ipotizza un collegamento medio di 200m; - codifica FEC di tipo RS(255, 239); - equalizzazione adattativa al ricevitore, con filtro LMS (Least-Mean Square) e fase iniziale in modalità blind. Il livello fisico così concepito è stato programmato su piattaforma FPGA, ed ha sperimentalmente dimostrato di riuscire a coprire una distanza dell ordine dei 275m ([POFALL2]). Altri partner del progetto hanno dimostrato, oltre a primordiali esperimenti a 1Gb/s, prestazioni quasi equivalenti utilizzando il formato di modulazione DMT ([POFALL3]), tipico delle comunicazioni su powerline. Gigabit Ethernet La trasmissione di 1Gb/s comporta tematiche ancora differenti: il sistema è a questo punto severamente limitato in banda, ed anche dal punto di vista optoelettronico non è semplice trovare componenti a basso costo (es. LED) sufficientemente veloci; la scelta principale, a questo punto, è di spingere al massimo lo sforzo sull equalizzazione (in figura 4 è riportato il diagramma ad occhio ricevuto dopo una trasmissione ad 1Gb/s su 50m di fibra plastica, utilizzando una sorgente RC-LED ma in assenza di equalizzazione). Il progetto europeo POF-PLUS ([POFPLUS1]), coordinato da ISMB ed attualmente in corso, ha come obiettivo principale, ma non unico, la trasmissione di 1Gb/s su distanze di 50m ed oltre. Dopo una lunga campagna di simulazione, ISMB è giunto alle seguenti scelte tecniche: - trasmissione nel rosso, con l utilizzo di sorgenti RC-LED (più veloci dei LED convenzionali, più robuste all usura ed allo squilibrio modale rispetto ai VCSEL); - convenzionale modulazione OOK a 2 livelli Figura 4: diagramma ad occhio ricevuto dopo trasmissione a 1Gb/s su 50m. La sorgente è un RC-LED a 650nm (rosso) mentre in ricezione c è un apparato da laboratorio Graviton SPD-2. (il confronto con 4-PAM ed 8-PAM ha dimostrato, sulle distanze in gioco, che la richiesta di linearità è tale da vanificare il vantaggio del multilivello); - pre-enfasi al trasmettitore; - equalizzazione adattativa al ricevitore: filtro di feed-forward (FFE) con 16 prese fractionally spaced (equivalenti dunque a 8 bit) e filtro di feedback (DFE) con due prese. Si utilizza l algoritmo di equalizzazione del tipo Minimun Square Error (MSE); - codifica di linea 64B/66B to 65B (IEEE clausola ); - codifica FEC di tipo RS(255, 237). Le velocità in gioco e le prestazioni delle FPGA disponibili, hanno costretto a programmare il software secondo un parallelismo 4. Durante il progetto sono stati implementati dei sottolivelli PMD e PCS completi, ed una estesa campagna di test, anche a livello rete, è stata effettuata. Il sistema ha dimostrato ([POFPLUS2]) di funzionare su di una distanza di 50m fornendo un consistente margine (6,5dB con ricevitore da laboratorio) tale da permettere di tenere in conto invecchiamento dei componenti e perdite in eccesso dovute a condizioni difficili di installazione tipiche dell ambiente domestico (es. elevato numero di curve). 76

5 FIBRE OTTICHE PLASTICHE PER TELECOMUNICAZIONI SU BREVE DISTANZA (PLASTIC OPTICAL FIBERS (POF) FOR SHORT-DISTANCE COMMUNICATIONS) NOTE Conclusioni Le fibre ottiche in plastica stanno guadagnando interesse per l installazione in ambiente domestico, grazie alla loro facilità di installazione che dunque si adatta alla consumer electron ics. ETSI ha recentemente pubblicato la specifica TS per sistemi basati su POF, intitolata Plastic Optical Fiber System Specifications for 100Mbit/s and 1Gbit/s, mentre una iniziativa del dicembre 2009 da parte dell ente VDE-DKE intitolata WG Optical Data Transmission Over Plastic Optical Fiber (POF) sta cercando di definire specifiche maggiormente di dettaglio tecnologico. ISMB ha sperimentalmente dimostrato le prestazioni richieste dalla specifica ETSI, e dunque che le POF sono oramai mature per affacciarsi al mercato come soluzione consumer per la larga banda. 77

6 NOTE Silvio Abrate Riferimenti [FastPOF] D. Cardenas,A. Nespola, P. Spalla, S.Abrate, R. Gaudino, A media converter prototype for 10Mb/s Ethernet transmission over 425m of large core step index polymer optical fiber, IEEE Journal of Lightwave Technology, Dec [POFALL1] [POFALL2] D. Cardenas, A. Nespola, S. Camatel, S. Abrate, R. Gaudino, 100Mb/s Ethernet transmis sion over 275m of large core step index polymer optical fiber: results from the POF- ALL European project, IEEE Journal of Lightwave Technology, Jul [POFALL3] I. Mollers, R. Gaudino, A. Nocivelli, H. Kragl, O. Ziemann, N.Weber,T. Koonen, C. Lezzi, A. Bluschke, S. Randel, D. Jager, "Plastic Optical Fiber Technology for Reliable Home Networking Overview and Results of the EU Project POF-ALL", IEEE COMMUNI CATIONS MAGAZINE, vol. 47 (8); p , ISSN: [POFPLUS1] [POFPLUS2]A. Nespola, S. Straullu, P. Savio, D. Zeolla, J. Ramirez Molina, S.Abrate, R. Gaudino, "A New Physical Layer Capable of Record Gigabit Transmission over 1mm Step Index Polymer Optical Fiber", IEEE Journal of Lightwave Technology, Digital Object Identifier : /JLT

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