La fotonica come tecnologia pervasiva: comunicazione, sensoristica, circuiti integrati. Piero Castoldi

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1 La fotonica come tecnologia pervasiva: comunicazione, sensoristica, circuiti integrati Piero Castoldi Scuola di Orientamento di S. Miniato 4 Febbraio 2012 Mi presento Sono un professore della Scuola Superiore Sant Anna di Studi Universitari e Perfezionamento (SSSUP in breve) di Pisa Collaboro intensamente con il CNIT (Consorzio Nazionale Interuniversitario per le Telecomunicazioni) Ho insegnato corsi nell area delle reti e dei sistemi di telecomunicazione sia cablati che radio e nell area delle comunicazioni multimediali e svolgo attività di ricerca nelle stesse aree Attualmente sono titolare del corso di Teoria dei Segnali La mia home-page (parte di essa in corso di aggiornamento):

2 Istituto TeCIP Istituto TeCIP Direttore: Prof. Giancarlo Prati Lab. InRete Communication Coordinator: Prof. P. Castoldi CNIT LNRF Photonic Networks Coordinator: Prof. F. Di Pasquale IRCPhoNet Lab. ReTiS Informatics Coordinator: Prof. G. Buttazzo Lab. PERCRO Perception Coordinator: Dr. C. Avizzano 3 Collaborazioni Aziendali 4

3 Sommario Breve storia delle telecomunicazioni Dalle comunicazioni digitali all Internet ottica Le reti fotoniche Sensori, circuiti integrati 5 La telecomunicazione Telecomunicazione significa comunicazione (di informazioni) a distanza Più precisamente, siamo in presenza di un sistema di telecomunicazione se il trasferimento di informazioni nello spazio avviene mediante il trasporto di energia e non di materia 6

4 L ingegneria delle Telecomunicazioni Alle Telecomunicazioni si associano una serie di servizi che tocchiamo con mano come utenti finali: Il telefono (fisso, cordless, cellulare GSM e UMTS, VoIP) La televisione (terrestre, via satellite, via Internet) Accesso Internet e relativi servizi ( , WWW, peer-to-peer, etc) Remotizzazione di periferiche con tecnologie wireless (senza fili) E tali servizi si avvalgono di reti di telecomunicazione, che a loro volta sono costituiti da sistemi di telecomunicazione, che a loro volta si appoggiano a tecnologie o sottosistemi di telecomunicazione. l ingegneria delle telecomunicazioni è una scienza applicata che si occupa di progettare e migliorare i sistemi e le reti di telecomunicazioni. 7 Breve storia delle telecomunicazioni 8

5 Non fu facile all inizio.. Arrestato a New York un individuo che cercava di estorcere soldi a persone ignoranti e superstiziose esibendo uno strumento che, per mezzo dei cavi metallici, trasmetterebbe la voce umana a qualsiasi distanza così da poter essere udita dall ascoltatore all altro capo. L uomo chiama questo strumento telefono. Persone bene informate sanno che èimpossibile trasmettere la voce umana attraverso i cavi. da un giornale di New York Ma poi ci si convinse.. Alexander Graham Bell inventò il microfono e la macchina per la trasmissione elettrica della voce, che oggi chiamiamo telefono nel 1875 in Canada. Antonio Meucci ed altri realizzarono esperimenti di telefonia nel 1850 negli Stati Uniti, anteriormente a Bell, ma per problemi economici non riuscirono a brevettare l idea. Bell fu il primo inventore che sfruttò l idea dal punto di vista commerciale Fondò l azienda Bell Telephone nel Già nel 1877, Bell mise in esercizio il primo commutatore telefonico a New Haven, Connecticut (USA) Nel 1884, le prime telefonate interurbane furono fatte tra Boston (Massachussets) e New York City 10

6 .. che l idea non era malvagia.. Thomas Edison lavorò per migliorare il telefono di Bell e presentò un brevetto in Inghilterra nel 1877 per la sua nuova versione del telefono con trasmettitore a carbone (il primo microfono moderno). Nel 1877 la Western Union decise di entrare in concorrenza con la Bell ed entrò nella produzione commerciale di telefoni. Furono fatti ampi test sui prototipi di telefono di Edison e di altri inventori. Alla termine dei test, fu stabilito che il telefono a carbone di T. Edison presentava le prestazioni migliori e fu adottato come standard e allora ci si provò a liberare dei cavi.. Nel 1895, Guglielmo Marconi effettuò alcuni semplici esperimenti coi quali riuscì a trasmettere segnali utilizzando le onde elettromagnetiche e fu in grado di riceverli impiegando un antenna. Nel 1897, il ministero delle Poste inglese fornì a Marconi finanziamenti e personale tecnico per continuare i suoi esperimenti e le distanze di trasmissione diventarono sempre più lunghe. Il radiotelegrafo era diventato una realtà. Nel Dicembre 1901, utilizzò il suo sistema per trasmettere il primo segnale radio trans-atlantico tra Poldhu (in Cornovaglia) e St. John s (Canada) ad una distanza di 3000 km. Questo esperimento dimostrò che la propagazione delle onde radio non è disturbata dalla curvatura terrestre. 12

7 .. radio, TV e satelliti per telecomunicazioni Intorno agli anni 20 il perfezionamento degli apparecchi di ricezione porta alla sperimentazione delle prime trasmissioni radiofoniche Nel 1936 la BBC inaugura il primo servizio di trasmissioni televisive pubbliche Nel 1962 viene messo in orbita Telstar 1, il primo satellite per telecomunicazioni commerciale 13 Dalle comunicazioni analogiche all Internet ottica 14

8 Dalle trasmissioni analogiche alle digitali testi immagini suoni filmati applicazioni Il tutto codificato in formato digitale: 15 Segnali digitali per le telecomunicazioni Le reti di telecomunicazioni più moderne utilizzano segnali digitali (binari), cioè treni di bit, per la trasmissione dell informazione, utilizzando dei mezzi di trasmissione (cavi o il mezzo radio) Intervallo di bit (durata) = tempo necessario per spedire un bit (sec) Velocità di trasmissione = numero di Intervalli di bit al secondo (b/s). Ampiezza intervallo di bit 1 secondo 0 tempo 8 b/s Velocità tipiche: 1/20 Mb/s (upload/download ADSL), 100/1000 Mb/s Ethernet, 56/112 Mb/s WiFi, da 10 Gb/s fino a 1 Tb/s per collegamenti internazionali 16

9 La commutazione di pacchetto I messaggi su Internet non viaggiano tutti interi Essi vengono divisi in pacchetti che vengono spediti autonomamente sulla rete 17 Dai sistemi punto-punto alle reti Bell/Meucci e Marconi hanno di fatto gettato le basi per i sistemi di trasmissione punto-punto su cavo e via radio Attraverso l impiego di centrali di commutazione si pervenne la rete telefonica, la prima rete di telecomunicazione mondiale Le radiocomunicazioni si sono evolute nel sistema di trasmissione televisivi terrestri e satellitari e vari sistemi di accesso (cellulari, Internet) Una rete di telecomunicazione è spesso rappresentata da una nuvola ma contiene al suo interno rami e nodi Rami Cavi in rame, cavi coassiali, fibre ottiche, collegamenti radio Nodi Routers, server, switches, access point, modems, 18

10 I mezzi di trasmissione Affinché le informazioni codificate possano viaggiare lungo una rete è necessario un mezzo di trasmissione che colleghi il trasmettitore ed il ricevitore Tale mezzo può essere un cavo metallico lungo il quale si propagano impulsi elettrici, o un onda elettromagnetica che si propaga in spazio libero, una fibra ottica che convoglia impulsi luminosi. 19 Cavi di rame Coppia intrecciata di cavi, o doppino ritorto Si tratta di una coppia di fili in materiale conduttore (in genere il rame) intrecciati l uno con l altro 20

11 Il mezzo radio A differenza della luce e dell elettricità, le onde radio non hanno bisogno di essere trasmesse all interno di cavi, poiché possono viaggiare per lunghe distanze attraverso lo spazio Grazie ai satelliti esse possono raggiungere qualsiasi angolo del pianeta 21 La fibra ottica il segnale trasmesso è un treno di impulsi di LUCE (fotoni in termini di particelle elementari) consente di raggiungere velocità fino al Tb/s, 1000 miliardi di bit al secondo! 22

12 Propagazione della luce in fibra ottica Fibra ottica costituita da un materiale plastico/vitreo trasparente con un cilindro interno con indice di rifrazione più elevato di quello esterno Il fenomeno della riflessione totale tiene la luce confinata entro il mezzo In termini di ottica geometrica, i raggi sono riflessi Gli impulsi rettangolari giungono a destinazione un po distorti Cladding Core 23 Le reti fotoniche 24

13 Scuola Superiore Centro integrato di di Reti e Tecnologie Fotoniche della Scuola Superiore Sant Anna Sant Anna di studi universitari e di perfezionamento Attuali applicazioni delle telecomunicazioni Reti ottiche Sistemi e tecnologie per la trasmissione ottica Componenti e amplificatori ottici Commutazione fotonica La fotonica nel futuro Bio-fotonica Sensori basati su fibre ottiche Circuiti integrati ottici 25 Laboratori Integrati della Scuola e del CNIT (1) 26

14 Laboratori Integrati della Scuola e del CNIT (2) 27 I segmenti di rete Rete dorsale (Backbone) su scala continentale coast-to-coast distanze internodo > 1000 km 10Gb/s - 1Tb/s Rete metropolitana (Metro) su scala nazionale/regionale distanze internodo ~ 100 Km 1 Gb/s 40 Gb/s Rete di accesso da provider ad utente distanze internodo ~ 10 Km <1 Mb/s <100 Mb/s Rete Locale (LAN) Reti interne alla casa, all università 10 Mb/s 1 Gb/s 28

15 Le reti dorsali per Internet 29 Impiego dei colori nelle fibre ottiche Reti ottiche ad instradamento della lunghezza d onda (colore), ogni colore supporta una trasmissione logica diversa (WDM) Stato dell arte delle reti ottiche L ottica è eccezionale per la trasmissione sulle lunghe distanza L elettronica aiuta per l elaborazione del segnale 30

16 Reti ottiche e sistemi ottici Sistemi di trasmissione Dense WDM Reti di accesso Ottica in spazio libero Funzionalità ottiche Conversione di lunghezza d onda Packet Switching Impulsi ottici su oscilloscopio 31 Reti metropolitane (Metro) Si utilizzano per connessioni tra città su base nazionale o regionale Interconnettono il traffico reti locali (LAN) a beneficio delle reti dorsali La topologia ad anello ampiamente usata per la sua implicita robustezza ai guasti 32

17 Le reti di accesso (il punto debole ) Il cosiddetto ultimo miglio tra la nostra casa (o ufficio) e la centrale che eroga i servizi (voce, dati, ecc.) E anche detto rilegamento d utente Tipologie di rete di accesso: Asymmetric Digital subscriber Loop (ADSL) fino a 8 Mb/s su doppini in rame: una speciale nodulazione che trasmette i dati sullo stesso filo del telefono ma su un canale separato. Accesso wireless: non completamente liberalizzato in Italia outdoor (es. aereoporti) Fiber-to-the Home (FTTH): fibra ottica, consente elevatissime velocità (es. Fastweb) 33 Le reti locali (LAN) Interconnessione di computer all internod i edifici o istituzioni pubbliche o private Consente elevate velocità di trasmissione (10Mb/s 1Gb/s) Topologie varie Bus, Stella (star), Anello. Albero. maglia Esempio Fast Ethernet (IEEE 802.3u, 100 Mb/s) Gigabit Ethernet (1 Gb/s) 34

18 Controllo e gestione del traffico Allocazione dei servizi Robustezza ai guasti Servizi P2P (60 Gb/s) Servizi MM (40 Gb/s) 100 Gb/s Gestione del traffico 35 Architetture di rete a basso consumo di potenza Architetture di rete a basso consumo Spegnimento selettivo di apparati di rete (modalità stand-by) Per reti cablate e wireless Power meter 36

19 Controllo treni AV Miglioramento dell affidabilità delle reti di controllo dei sistemi ferroviari AV/AC Alta Velocità/Alta Capacità 37 Sensori, circuiti integrati 38

20 I sensori in fibra ottica Sensori di temperatura Sensori meccanici (di torsione o trazione) Posa del cavo in galleria Dettaglio del cavo in fibra per la misura della temperatura 39 Impiego dei sensori in fibra 40

21 Cosa vuol dire integrazione Progetto di un circuito ottico integrato 41 Come si fa un circuito integrato 42

22 Bio-sensori in tecnologia fotonica 43 Q&A Piero Castoldi