Decuplicare la capacità trasmissiva delle reti ultrabroadband senza aumentare il rumore e andare a discapito della qualità del segnale. È questa la nuova prospettiva che si apre oggi per i sistemi di telecomunicazione, alle prese con un aumento esponenziale del traffico di dati.
In un articolo pubblicato su Nature, un gruppo di ricercatori della Chalmers University of Technology, in Svezia, ha in effetti annunciato di aver realizzato un amplificatore che consente per l’appunto la trasmissione al secondo di una quantità di dati dieci volte superiore rispetto ai sistemi attuali basati sulla fibra ottica. Il dispositivo, che può essere installato su un piccolo chip, ha un potenziale significativo anche per altri tipi di sistemi laser critici, compresi quelli utilizzati nella diagnostica e nel trattamento medico.
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Le sfide della trasmissione dati per la fibra ottica nell’era dell’AI
Il progresso delle tecnologie basate sull’AI, la crescente popolarità dei servizi di streaming e la proliferazione di nuovi dispositivi intelligenti sono tra i fattori che innescheranno il raddoppio del traffico dati a livello mondiale, atteso entro il 2030. Un exploit che a sua volta determina l’aumento vertiginoso della domanda di sistemi di comunicazione in grado di gestire grandi quantità di informazioni.
Attualmente, il mezzo più potente è la fibra ottica, utilizzata per supportare Internet, le infrastrutture di telecomunicazioni per la banda ultralarga e altri servizi ad alta intensità di dati. Questi sistemi utilizzano la luce per trasmettere informazioni su lunghe distanze. I dati vengono trasmessi mediante impulsi laser che viaggiano ad alta velocità attraverso fibre ottiche, composte da sottili fili di vetro.
Per garantire che le informazioni mantengano un’alta qualità e non siano sopraffatte dal rumore, gli amplificatori ottici sono essenziali. La capacità di trasmissione dati di un sistema di comunicazione ottica è in gran parte determinata dalla larghezza di banda del l’amplificatore, che si riferisce alla gamma di lunghezze d’onda della luce che può gestire.
“Gli amplificatori attualmente utilizzati nei sistemi di comunicazione ottica hanno una larghezza di banda di circa 30 nanometri. Il nostro amplificatore, tuttavia, vanta una larghezza di banda di 300 nanometri, che gli consente di trasmettere dieci volte più dati al secondo rispetto a quelli dei sistemi esistenti”, spiega Peter Andrekson, professore di fotonica presso la Chalmers e autore principale dello studio pubblicato su Nature.
Struttura e innovazione dell’amplificatore ottico per banda ultralarga
Il nuovo amplificatore, realizzato in nitruro di silicio, è dotato di diverse piccole guide d’onda a spirale interconnesse che dirigono efficacemente la luce con perdite minime. Combinando questo materiale con un disegno geometrico ottimizzato, si sono ottenuti diversi vantaggi tecnici.
“L’innovazione chiave di questo amplificatore è la sua capacità di aumentare la larghezza di banda dieci volte riducendo il rumore in modo più efficace rispetto a qualsiasi altro tipo di amplificatore. Questa capacità gli permette di amplificare segnali molto deboli, come quelli utilizzati nelle comunicazioni spaziali”, precisa Peter Andrekson.
Inoltre, i ricercatori hanno miniaturizzato con successo il sistema per inserirlo in un chip di pochi centimetri. “Anche se costruire amplificatori su chip piccoli non è un concetto nuovo, questo è il primo esempio di come si possa ottenere una larghezza di banda così grande”, aggiunge il ricercatore.
Diagnosi precoce e applicazioni mediche dell’amplificatore ottico
Il team di ricerca ha integrato sul chip diversi amplificatori, consentendo di modulare facilmente le proprietà del dispositivo a seconda delle necessità. Poiché gli amplificatori ottici sono componenti cruciali di tutti i laser, il progetto dei ricercatori della Chalmers University può essere utilizzato per sviluppare sistemi laser in grado di cambiare rapidamente le lunghezze d’onda su un ampio intervallo. Questa innovazione apre numerose applicazioni, soprattutto in ambito sanitario.
“Piccole modifiche al progetto consentirebbero anche l’amplificazione della luce visibile e infrarossa. Ciò significa che l’amplificatore potrebbe essere utilizzato nei sistemi laser per la diagnostica medica, l’analisi e il trattamento. Un’ampia banda consente analisi e immagini più precise di tessuti e organi, facilitando la diagnosi precoce delle malattie“, dice Peter Andrekson.
Oltre al suo ampio potenziale applicativo, l’amplificatore può anche contribuire a rendere i sistemi laser più piccoli e più convenienti. “L’amplificatore offre una soluzione scalabile per i laser, consentendo loro di operare a varie lunghezze d’onda, pur essendo più conveniente, compatto ed efficiente dal punto di vista energetico. Di conseguenza, un unico sistema laser basato su questo amplificatore potrebbe essere utilizzato in più campi. Al di là della ricerca medica, della diagnostica e del trattamento, essa potrebbe essere applicata anche nell’imaging, nell’olografia, nella spettroscopia, nella microscopia e nella caratterizzazione di materiali e componenti a lunghezze d’onda completamente diverse”.
