Luigi Bonavoglia - Torino 1967-1976
La fibra ottica
I ponti radio - La rete e la commutazione

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Le telecomunicazioni nascono nell'Ottocento con tre grandi invenzioni successive: il telegrafo, il telefono, la radio (detta all'inizio telegrafo senza fili); le prime due usano la corrente elettrica in una linea fatta di uno o più fili metallici, agli inizi in ferro poi quasi sempre di rame, l'ultima le onde radio nell'aria o nel vuoto.
La linea di rame ha continuato per buona parte del Novecento ad essere il principale mezzo trasmissivo delle reti telefoniche, che peraltro fecero uso anche di ponti radio e satelliti.
In realtà la corrente elettrica ha il grave difetto di essere sensibile ai campi magnetici che introducono disturbi di trasmissione (il classico fruscio nelle conversazioni telefoniche); un difetto che fu peraltro molto ridotto con l'introduzione dei cavi coassiali a partire dal 1935-40. Inoltre le linee di rame richiedono la presenza di molti amplificatori, tanto più numerosi quanto maggiore il numero di canali che corrono sul cavo.
Era quindi uno dei grandi scopi della ricerca quello di trovare mezzi trasmissivi più efficienti ed esenti da disturbi. L'idea di usare la luce (che poi è un'onda elettromagnetica proprio come le onde radio) non è certo nuova, telegrafi ottici esistevano sin dalla più lontana antichità e già nel II secolo avanti Cristo, Polibio descriveva un telegrafo ottico alfabetico basato su torce.
Nella seconda metà del Novecento cominciarono ad essere usate soprattutto per usi medici (endoscopi) fibre di vetro o fibre ottiche, sottili fili di vetro nei quali la luce corre come in un tubo (guida d'onda).
Nel disegno a lato viene mostrato lo spaccato in lunghezza di una fibra ottica: i raggi di luce entrano da un estremo e vengono riflessi con angoli molto piccoli e di solito inferiori all'angolo critico; si ha quindi riflessione totale, non ci sono dispersioni e il raggio di luce arriva all'altro estremo della fibra. In teoria un raggio potrebbe anche correre al centro della fibra, ma ciò è molto improbabile. Appare evidente dal disegno che i raggi di luce essendo riflessi con angoli diversi percorrono lunghezze diverse e arrivano alla fine della fibra con un sia pur piccolo sfasamento. Per limitare il fenomeno si usa vetro drogato con indice di rifrazione maggiore al centro e vetro con indice minore nel mantello della fibra, ma resta comunque uno sfasamento dell'ordine di molti picosecondi al km, che costringe a usare impulsi di luce maggiori di questo tempo, a scapito della velocità di trasmissione dati. Questo tipo di fibra si dice multimodale. (*)
È facile capire che questa differenza di percorso può ridursi se si riduce il diametro della fibra; arrivati a un diametro intorno ai 5 μm e cioè non molto superiore alla lunghezza d'onda della luce (0,4-0,7 μm), non è più possibile interpretare la propagazione dell'onda con le leggi dell'ottica geometrica (riflessione, rifrazione) ma è comunque intuitivamente comprensibile che la luce ha un solo itinerario possibile e che il fenomeno dello sfasamento è ridotto al minimo. Questo tipo di fibra ottica si dice monomodale e si è via via imposta come la più efficiente soprattutto per lunghe distanze.
La luce non è soggetta al disturbo dei campi magnetici e quindi in teoria la fibra ottica è il mezzo trasmissivo ideale per le telecomunicazioni. Ci sono però alcuni problemi: il vetro non è mai trasparente al 100% e la luce viaggiando nel vetro subisce una attenuazione proporzionale alla lunghezza del cavo; nelle fibre multimodali poi c'è il già citato fenomeno dello sfasamento.
Nel 1965 due ricercatori della STC (Standard Telephone and Cable) di Londra Charles K. Kao e G. A. Hockham pubblicarono un articolo nel quale definivano i parametri necessari per una trasmissione su fibra ottica e in particolare fissavano in 20 decibel al chilometro il limite massimo di attenuazione che la fibra ottica avrebbe dovuto avere per diventare di interesse pratico nelle telecomunicazioni (gli endoscopi avevano attenuazioni di centinaia di dB al km). Di fatto si aprì allora una gara a chi fosse riuscito per primo a produrre una fibra ottica che rispondesse a queste specifiche.
Inaspettatemente la gara fu vinta da una ditta del tutto estranea al mondo delle telecomunicazioni, la Corning Glass che era viceversa specializzata nella produzione di vetri e ceramiche e nota soprattutto per aver brevettato il vetro Pyrex per la cucina. Nel 1970 la Corning annunciò di aver prodotto una fibra con attenuazione di 17 dB per km usando un silicato drogato con titanio. Negli anni seguenti la Corning arrivò a produrre fibre ottiche con attenuazione di 4 dB per km.
In Italia Luigi Bonavoglia, allora direttore dello CSELT, fu tra i primi a rendersi conto della portata dell'evento e a dare subito disposizioni per studiare e sperimentare il nuovo mezzo trasmissivo. Negli anni seguenti lo CSELT insieme a Pirelli e SIRTI stipulò contratti con la Corning e diede l'avvio alla sperimentazione e alla produzione di fibre ottiche anche in Italia. Con felice intuizione si privilegiò subito lo studio delle fibre monomodali. Allo CSELT ci si occupò a fondo anche degli apparati che vanno inseriti agli estremi di una fibra: emettitori laser in grado di trasmettere luce coerente, rilevatori, amplificatori ottici, tutte cose meno conosciute della fibra ma non meno importanti per la trasmissione.
A partire dagli anni Ottanta le fibre ottiche hanno via via soppiantato il cavo coassiale di rame nei collegamenti tra centrali (le dorsali della rete) e in buona parte anche i ponti radio compresi i collegamenti via satellite, che hanno di nuovo ceduto il passo ai cavi transoceanici (in fibra ottica naturalmente).
Le prestazioni della fibra ottica hanno raggiunto livelli straordinari; una singola tratta di fibra, senza necessità di amplificatori come era per i cavi coassiali, può essere lunga centinaia di km (anche se il più delle volte si resta sotto i 100 km), e portare decine di migliaia di canali telefonici. La fibra ottica si è poi rivelata ideale per la trasmissione numerica e cioè per trasmettere sequenze di 0 e 1 dove non è importante la presenza di leggeri residui disturbi; senza la fibra ottica non sarebbe stato possibile il Web su scala mondiale (WWW)!
Riassumento i punti di forza della fibra ottica sono (*):
Il doppino di rame non è peraltro morto ma sopravvive nel cosiddetto ultimo miglio, il tratto di rete che collega la centrale con l'utente finale. Installare la fibra ottica in questo ultimo tratto è molto costoso e finora ha prevalso l'idea che il gioco non valga la candela nelle aree già cablate con il rame. Migliori prospettive si hanno a partire delle aree di nuova urbanizzazione. Per il futuro è ovviamente difficile fare previsioni.


Fonti e collegamenti

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Si sono prodotte anche fibre multimodali a indice di rifrazione graduato con distribuzione parabolica dell'indice di rifrazione; in questo modo si riduce in modo ancor più efficace la differenza tra i vari percorsi e il conseguente sfasamento. X
Questo riepilogo è tratto da Luigi Bonavoglia - Le Telecomunicazioni in Italia e il Museo della Sirti 1992, cap. 8, pag. 281. X