La fotonica come tecnologia pervasiva:comunicazione, sensoristica, circuiti integrati

Piero Castoldi

Scuola di Orientamento di S. Miniato4 Febbraio 2012

Mi presento

• Sono un professore della Scuola Superiore Sant’Anna di Studi Universitari e Perfezionamento (SSSUP in breve) di Pisa

http://www.sssup.it

• Collaboro intensamente con il CNIT (Consorzio Nazionale Interuniversitario per le Telecomunicazioni)

http://www.cnit.it

• 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):

http://www.pierocastoldi.it

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Istituto TeCIP

Istituto TeCIPDirettore: Prof. Giancarlo Prati

Lab. InRete

CommunicationCoordinator: Prof. P. Castoldi

CNIT – LNRFPhotonic NetworksCoordinator: Prof. F. Di Pasquale

Lab. ReTiS

InformaticsCoordinator: Prof. G. Buttazzo

Lab. PERCRO

PerceptionCoordinator: Dr. C. Avizzano

Lab. PERCRO

PerceptionCoordinator: Dr. C. Avizzano

IRC

Pho

Net

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Collaborazioni Aziendali

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Sommario

• Breve storia delle telecomunicazioni

• Dalle comunicazioni digitali all’Internet

ottica

• Le reti fotoniche

• Sensori, circuiti integrati

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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

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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 (e-mail, 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.

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Breve storia delle telecomunicazioni

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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 è impossibile trasmettere la

voce umana attraverso i cavi.”

“da un giornale di New York “ 1868

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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 1877. 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

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.. 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.

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.. 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.

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.. 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

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Dalle comunicazioni analogiche all’Internet ottica

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testiimmagini

filmati

suoni

applicazioni

Il tutto codificato in formato digitale:

Dalle trasmissioni analogiche alle digitali

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• 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).

1

Ampiezza

tempo0

1 1 110 0 0

intervallodi bit

1 secondo

8 b/s

Segnali digitali per le telecomunicazioni

0

• 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

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La commutazione di pacchetto

• I messaggi su Internet non viaggiano tutti

interi

• Essi vengono divisi in pacchetti che

vengono spediti autonomamente sulla rete

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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)

• Nodi

– Routers, server, switches,

access point, modems, …

• Rami

– Cavi in rame, cavi coassiali, fibre

ottiche, collegamenti radio …

• Una rete di telecomunicazione èspesso rappresentata da unanuvola ma contiene al suo internorami e nodi

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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.

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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

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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

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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!

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• 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

Propagazione della luce in fibra ottica

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Le reti fotoniche

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• Reti ottiche • Sistemi e tecnologie per la trasmissione ottica• Componenti e amplificatori ottici• Commutazione fotonica

Scuola Superiore

Sant’Annadi studi universitari e di perfezionamento

Centro integrato di Reti e Tecnologie Fotoniche

della Scuola Superiore Sant’Anna

Centro integrato di Reti e Tecnologie Fotoniche

della Scuola Superiore Sant’Anna

Attuali applicazioni delle telecomunicazioni

La fotonica nel futuro

• Bio-fotonica• Sensori basati su fibre ottiche• Circuiti integrati ottici

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Laboratori

Integrati della

Scuola e del

CNIT (1)

27

Laboratori

Integrati della

Scuola e del

CNIT (2)

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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

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Le reti dorsali per Internet

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� 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

Impiego dei “colori” nelle fibre ottiche

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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

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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

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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)

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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)

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Controllo e gestione del traffico

Servizi MM(40 Gb/s)

Servizi P2P(60 Gb/s)

10

0 G

b/s

10

0 G

b/s

Allocazione

dei servizi

Robustezza ai guasti

Gestione del traffico

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Architetture di rete a bassoconsumo di potenza

• Architetture di rete a basso consumo

• Spegnimento selettivo di apparati di

rete (modalità stand-by)

– Per reti cablate e wireless

Power meter

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Controllo treni AV

• Miglioramento dell’affidabilità delle reti di controllo

dei sistemi ferroviari AV/AC – “Alta Velocità/Alta

Capacità”

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Sensori, circuiti integrati

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I sensori in fibra ottica

• Sensori di temperatura

• Sensori meccanici (di torsione o trazione)

Dettaglio del cavo in fibra

per la misura della temperatura

Posa del cavo in galleria

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Impiego dei sensori in fibra

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Cosa vuol dire integrazione

Progetto di un circuito ottico integrato

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Come si fa un circuito integratoCome si fa un circuito integrato

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Bio-sensori in tecnologia fotonica

Q&A

Piero Castoldi

castoldi@sssup.it