Comunicazione ultraveloce
Con l'aiuto della luce, i dati possono essere trasmessi in modo efficiente e alle massime velocità. Jürg Leuthold, responsabile dell'Istituto per i campi elettromagnetici, spiega come i confini del possibile continuino a spostarsi.
L'ETH Globe: Da bambini ci inviavamo segnali in codice Morse al buio accendendo e spegnendo la torcia. Di cosa si tratta oggi?
Jürg Leuthold: Con questo principio avete fatto molta strada in tempi moderni. Fino al 2005 abbiamo lavorato solo secondo il principio della tecnologia di comunicazione ottica: Il segnale, cioè la luce, c'è - ciò corrisponde a un uno, oppure il segnale o la luce non c'è - ciò corrisponde a uno zero. L'unica cosa che è cambiata fino al 2005 è stata la velocità di commutazione. Tutto è diventato sempre più veloce.
L'uso dei cavi in fibra ottica è stato un passo importante verso una trasmissione di dati sempre più veloce.
Proprio così. Al posto degli elettroni, come nel vecchio cavo di rame, i fotoni, cioè le particelle di luce, sono ora inseguiti attraverso il cavo in fibra ottica. Ciò consente di trasmettere molte più informazioni per unità di tempo. Nel 1996 è stato possibile trasmettere per la prima volta un terabit al secondo accendendo e spegnendo la luce - in altre parole, un trilione di volte, o 1012 volte al secondo. Era stata infranta una nuova barriera del suono.
Ma non è la fine?
Nel 2001 è stato pubblicato sulla rivista scientifica "Nature" un importante lavoro teorico sulla massima capacità di trasmissione possibile nelle fibre ottiche. Il documento suggeriva che la massima velocità di trasmissione possibile doveva essere di circa 100 terabit al secondo. In pratica, tuttavia, questa velocità era considerata irraggiungibile. La migliore velocità di trasmissione possibile era prevista a 10 terabit al secondo. Nello stesso anno ci siamo resi conto che in ottica è possibile codificare la luce in modo diverso da come era stato fatto in precedenza. Fino al 2001 avevamo accesso al segnale nel suo complesso solo sotto forma di "luce accesa, luce spenta". Ma poi abbiamo avuto a disposizione nuovi componenti che ci hanno permesso di utilizzare una codifica migliore, nota come codifica di fase.
Cosa significa esattamente?
La luce è un'onda. La fase di un'onda indica il momento in cui vengono trasmesse la cresta e la depressione dell'onda. All'interno di un'onda, ad esempio, si può trasmettere prima la cresta e poi la depressione o viceversa. Questa è un'informazione. Ma la difficoltà è questa: L'onda luminosa di cui stiamo parlando oscilla circa 200.000 miliardi di volte al secondo. Rilevare la fase assoluta di un'onda luminosa di questo tipo sembrava impossibile a molti all'epoca.
Qual è stato il suo contributo?
All'epoca lavoravo ai Bell Labs negli Stati Uniti. Io e un collega siamo stati fortunati: non conoscevamo le teorie che suggerivano l'impossibilità della codifica di fase nelle comunicazioni ottiche. Ci venne l'idea di misurare la fase relativa da un bit all'altro piuttosto che la fase assoluta. ? molto più semplice. Il metodo di codifica è noto come "differential phase shift keying". Avevo già costruito un ricevitore speciale per questo scopo.
E ha funzionato?
Con il nostro metodo, siamo riusciti a battere di due volte in un colpo solo l'allora record mondiale di trasmissione dati. Le prime reti con phase shift keying differenziale sono entrate in funzione nel 2005. Da allora, sulle autostrade dei dati dei principali operatori di rete vengono trasmessi principalmente segnali a codifica di fase e l'era del "light on - light off" sta per finire. Circa quattro anni fa sono stati trasmessi per la prima volta 100 terabit al secondo in un singolo cavo in fibra ottica. Ciò che dieci anni fa era considerato teoricamente fattibile ma praticamente impossibile, oggi è stato raggiunto e persino superato.
Cosa ne ricavo come utente privato?
Tornate indietro di 15 anni con la mente. Se eravate fortunati, allora potevate ricevere 128 kilobit al secondo sul vostro computer desktop. Oggi, con una connessione in fibra ottica, si può avere un gigabit al secondo. Entro 15 anni, gli utenti privati avranno a disposizione una larghezza di banda quasi 10.000 volte superiore. Immaginate questo in un altro ambito: Dite alla vostra casa automobilistica di rendere la vostra auto 10.000 volte più veloce o 10.000 volte più efficiente dal punto di vista energetico.
E a cosa sta lavorando oggi?
Nella tecnologia della comunicazione, i segnali sono inizialmente elettrici. Per la comunicazione ottica, dobbiamo convertire il segnale elettrico in un segnale laser ottico. Per farlo, abbiamo bisogno dei cosiddetti modulatori, che convertono un segnale elettrico in un segnale ottico. I modulatori standard utilizzati nella tecnologia delle telecomunicazioni ottiche sono lunghi circa dieci centimetri e larghi due. Elaborano fino a 40 gigabit al secondo e consumano cinque picojoule di energia per ogni bit codificato. Non sembra molta energia, ma se lo si fa 40 miliardi di volte al secondo, non è poi così poca, soprattutto se si usano fino a mille di questi modulatori in una stanza. Abbiamo sviluppato nuovi modulatori e ridotto le loro dimensioni a un millimetro o meno. Sono anche molto più veloci e richiedono solo una frazione dell'energia.
Come è riuscito a rendere i modulatori così piccoli, potenti ed efficienti dal punto di vista energetico?
Non lavoriamo più con la luce, ma con i plasmoni. L'informazione è ora disponibile solo nella fibra ottica come segnale luminoso. Non appena il segnale raggiunge il chip, lo convertiamo in un plasmone. Il plasmone è un'oscillazione di elettroni che oscilla con la frequenza della luce ottica. Questi plasmoni sono molto più facili da manipolare perché si tratta di elettroni e non di fotoni. I plasmoni vengono quindi commutati e una frazione di picosecondo più tardi convertiti nuovamente in un segnale luminoso e immessi nella fibra ottica, ma ora con informazioni.
Quali sono i vantaggi di questa miniaturizzazione?
Ora possiamo immaginare di mettere ottica ed elettronica sullo stesso chip. In passato questo non era possibile a causa dei diversi rapporti di dimensioni. In generale, i componenti utilizzati nelle comunicazioni ottiche ad alte prestazioni sono ancora relativamente troppo grandi. Un trasmettitore terabit, ad esempio, richiede molto spazio. Se 1000 di essi dovessero essere alloggiati in un centro di commutazione centrale, sarebbe necessario un intero edificio. Anche il consumo energetico sarebbe ingestibile con tutti i componenti aggiuntivi. La miniaturizzazione è quindi d'obbligo.
Il traffico di dati si sta spostando sempre più verso la comunicazione mobile. Cosa offre la vostra ricerca in questo senso?
Le grandi quantità di dati che i clienti richiederanno in futuro richiederanno anche nuovi approcci nelle comunicazioni mobili. Le tecnologie ottiche sono particolarmente adatte a velocità di trasmissione elevate. Nel campo delle comunicazioni mobili, presto non avremo più a che fare con le solite microonde, ma con onde che oscillano da 100 a 1000 volte più velocemente. Stiamo parlando dell'era della tecnologia terahertz. Vogliamo assolutamente essere all'avanguardia.
