Quando il mondo delle telecomunicazioni lavorava prevalentemente con i cavi in rame e le onde radio e le velocità in gioco si misurano in termini di kb/s o Mb/s al massimo, si usava dire che le fibre ottiche erano un mezzo trasmissivo con una larghezza di banda ‘praticamente infinita’.

Il dettaglio sta nel ‘praticamente’. La ‘pratica’ non ha mai smesso di evolversi e la ricerca dell’infinito prosegue tuttora. A causa dell’insaziabile domanda di contenuti digitali da trasmettere ed elaborare, si tenta di spingere sempre più in alto l’asticella della velocità massima, come si è potuto constatare a Roma in occasione di ECOC Exhibition 2018, dove erano in bella mostra numerose soluzioni commerciali adatte a realizzare collegamenti a 100/200/400 Gbit/s.

La fibra ottica è ormai il mezzo trasmissivo di prima scelta per ogni sistema informatico o di comunicazione fisso, dalle sale server usate per erogare i servizi cloud fino alla infrastrutture di comunicazione a lunga distanza che costituiscono le dorsali internazionali di Internet.

Nel corso degli anni, l’evoluzione tecnologica e le dinamiche commerciali hanno fatto confluire i nuovi sviluppi verso l’ecosistema dello standard ‘Ethernet’, che nelle sue varie articolazioni è oggi quello dominante.

L’evoluzione tecnologica degli standard basati su Ethernet è stata impressionante, paragonabile a quella delle microelettronica. Dai 10 Mb/s tipici degli anni ’80 si è passati alle centinaia di Gb/s di cui si discute oggi, mentre già si preparano le prime ipotesi per la futura evoluzione al Tbit/s.

Inevitabile pertanto l’utilizzo delle fibra ottica, con sistemi di modulazione e codifica sempre più sofisticati. Se alle origini delle comunicazioni ottiche vi era il relativamente semplice sistema basato sull’invio di impulsi di luce successivi, oggi si deve ricorrere a tecniche più sofisticate per alzare la velocità.

Modulazione PAM-4 e ottica coerente

Le parole chiave che oggi citate più frequentemente dai i progettisti si chiamano PAM-4 e ottica coerente.

La prima è la tecnica di modulazione di un segnale digitale che, anziché codificare un bit per periodo di simbolo (come avviene nella classica modulazione NRZ), ne codifica due per ciascun periodo di simbolo. Il risultato è che ci sono tre livelli di soglia tra cui discriminare per decodificare un simbolo e i due bit ad esso associati.

La seconda invece si riferisce alla tecnica di modulazione e demodulazione del segnale ottico, analoga a quella che decenni su usa nel settore della radiofrequenza. Si possono codificare pertanto molti più bit per simbolo, a seconda della complessità del tipo di modulazione usata.

Queste due novità tecnologiche hanno importanti riflessi per tutta la strumentazione elettronica di misura e collaudo. Infatti, a Roma le principali case produttrici erano impegnato a mostrare le loro soluzioni più avanzate per affrontare questa nuova sfida.

Come ci ha spiegato Joachim Peerling, Vice President e General Manager di Keysight responsabile delle soluzioni per reti e data center, “il mercato ci richiede di misurare flussi di dati che possono arrivare all’impressionante velocità anche di 1 Terabit al secondo.
Per far ciò servono strumenti di nuova generazione, come ad esempio il nuovo oscilloscopio UXR, basato su circuiti integrati di nostra produzione con diverse tecnologie dei semiconduttori proprietarie, in InP, SiGe e Si. Non è certo uno sfizio, costoso per altro, ma una necessità tecnologica per garantire strumenti con un’integrità del segnale senza precedenti, a bassissimo rumore e con una velocità di campionamento in tempo reale eccezionale.
Nel nostro modello più potente di oscilloscopio UXR, che servirà ai clienti per progettare e validare i loro sistemi e componenti di ultime generazione, si possono acquisire quattro canali contemporaneamente con una larghezza di banda di 256Gs/s, oppure vedere chiaramente fronti di salita e discesa di qualche picosecondo, garantendo un livello di rumore di soli 210 µVrrms.
Per dare un’idea delle quantità di dati in gioco, sono mille miliardi di dati al secondo da elaborare in tempo reale, che corrispondono all’esempio al contenuti di 272 DVD per ogni secondo. Uno strumento del genere permette di affrontare con efficacia lo sviluppo e la validazione dei sistemi ottici coerenti e delle interfacce di comunicazione ottiche più veloci, come 400 GBE e oltre, fino alle future reti Ethernet a 1 Tbit/s.”

Un esempio molto significativo delle sfide che oggi affrontano i progettisti di interfacce digitali era esposto a ECOC 2018 nello stand Anritsu, che ha ospitato la dimostrazione tecnologica realizzata da eSilicon, che nei suoi laboratori pavesi sta sviluppando dei nuovi circuiti integrati Serdes capaci di lavorare con frequenze di simbolo di 56 Gbaud e 112 Gbaud, sia con modulazione NRZ che PAM-4.

Alessandro Messina, Marketing and Business Development Director EMEA di Anritsu conferma: “Crescono notevolmente le velocità di simbolo e cresce la complessità delle modulazioni. Di conseguenza, cresce la difficoltà di realizzare banchi di misura al passo coi tempi, che siano in grado di mantenere la complessità al cliente entro limiti ragionevoli.
Non basta un più offrire un semplice tester BER, bensì una soluzione completa di sonde, attrezzature e software, perché a queste velocità i dettagli fanno una differenza enorme. È quello che siamo riusciti a fare con successo con eSilicon, in pochissimo tempo attrezzare un sistema di validazione basato sul nostro strumento MP1900A capace di generare tutti i segnali necessari per lo sviluppo di una serie di circuiti integrati innovativi che saranno utilizzati negli switch, server e router di nuova generazione.”

Verso il Terahertz

La corsa verso velocità elevate non dà tregua, come dimostrano le numerose presentazioni accademiche illustrate durante il congresso scientifico svoltosi in cocomitanza con ECOC Exhibition.

Ad esempio, in una dimostrazione che ha raccolto grande interesse, Swabian Instruments ha realizzato in collaborazione con Scontel e l'Università di Münster un banco di miusra basato sulla tecnica del conteggio dei singoli fotoni che permette di realizzare sistema relativamente semplice per misurare i segnali ottici fino alle frequenze dei THz.

La tecnica di misura innovativa ha dimostrato le potenzialità per realizzare strumenti con tecnica di campionamento random con una larghezza di banda ben superiore ai 100 GHz, al momento non alla portata degli strumenti tradizionali.