Dialoghi ottici tra componenti fotonici

Prologo

Anno 2020. 21 Gennaio. Mentre il mondo per la prima volta si prepara, attonito e sconvolto, a confrontarsi con la pandemia globale di Covid-19, al Politecnico di Torino un giovane ragazzo si affaccia timidamente davanti all’ufficio del professore di sistemi. Come tanti suoi colleghi, è alla ricerca di un’attività di tesi. È tardi, sono quasi le sette di sera. E sa che, probabilmente, anche questa volta troverà la porta chiusa. Invece no, questa volta è diverso. Il professore lo accoglie con un sorriso cordiale. Ascolta le domande dello studente, si fa raccontare il curriculum. Riflette per qualche istante e poi, convinto, si rivolge al ragazzo: “Potresti lavorare con i sensori in fibra ottica”. Lo studente è affascinato, e chiede spiegazioni. “La fibra ottica” inizia a spiegare il professore “è sottile come un capello, è un filo di vetro in grado di portare con sé informazioni…”. Lo studente ascolta in silenzio, ma sa già che quello sarà il suo argomento di tesi. Ancora non può immaginare, però, quanto quell’esperienza sarebbe diventata totalizzante. Ancora non conosce i soggetti con cui si sarebbe confrontato. Scoprirà, con il passare del tempo, che dietro a quel filo di vetro c’è un mondo. Un mondo fotonico, un mondo governato dalle leggi dell’ottica e non solo. Un mondo fatto di dialoghi ottici tra componenti fotonici. 

La trasmissione di un segnale ottico

In una fibra ottica l’informazione trasmessa è rappresentata dalla propagazione di un segnale luminoso. La fibra, infatti, presenta una struttura multistrato concentrica: si definisce “core” lo strato più interno, “cladding” quello intermedio e coating quello più esterno. Quando la luce viene fatta entrare nel core, essa si propaga al suo interno con un determinato angolo rispetto alla fibra, in funzione dell’orientamento iniziale con il quale viene inserita. Quando la luce raggiunge l’interfaccia tra il core e il cladding, essa subisce una riflessione totale, restando quindi confinata nel core e propagando dunque l’informazione. Affinchè questo sia possibile, però, è necessario che l’orientamento iniziale del fascio luminoso rientri all’interno di un valore ben preciso, detto acceptance cone. Se questo non avviene, la luce anziché venire riflessa nel core, viene dispersa nel cladding.

FOTODIODO: Ho un’informazione cruciale da inviare. Luce, luce delle mie brame, qual è lo spettro più efficace del reame?

LUCE: Signor fotodiodo, se vuole sfruttare tutte le potenzialità della moderna sensoristica fotonica, scelga lo spettro MD35-70!

FOTODIODO: E chi sarebbero costoro?

LUCE: Egregio fotodiodo, MD30-70 è lo spettro luminoso che copre le lunghezze d’onda da 1530 a 1570 nm. Sa, vostra diodità, è l’unico spettro in grado di comunicare con il grande INTERROGATORE Smart Scan, colui che rende l’ottica uno strumento di misura rivoluzionario!

FOTODIODO: Ok, mi hai convinto. Quindi cosa devo fare, li prendo e li mando fuori?

ACCEPTANCE CONE: Eh no, troppo facile così…

FOTODIODO: Eh tu chi sei?

ACCEPTANCE CONE Mi scusi, egregio fotodiodo, non mi sono presentato. Io sono Mr. Acceptance Cone. Sono il mediatore tra voi, egregio fotodiodo, e Mr Core, colui che deve accettare lo spettro e accompagnarlo a destinazione.

CORE: Mr. Cone, mi raccomando! Faccia un’attenta selezione, altrimenti Mr. Cladding si tiene lo spettro tutto per sé…, e poi non si dica che è colpa mia che non faccio il mio lavoro!

CLADDING: Signor Core, io sono qui per aiutarla, sa che senza di me lei lo spettro lo perderebbe sempre. Certo, se poi non vuole stare da lei per il suo indice di rifrazione, io non posso fare altro che accoglierlo…

ACCEPTANCE CONE: Buoni, state buoni, per la miseria! Lo sappiamo come funziona. Ed è per questo che esisto io. Egregio fotodiodo, lei dovrà emettere lo spettro con un’angolazione più bassa possibile, e comunque mai superiore a quanto le comunico io. Solo così lo spettro si sentirà accolto da Mr. Core, e ogni volta che troverà Mr Cladding, se ne allontanerà, pur di rimanere nella sua vera casa… Così facendo, Mr Core potrà condurre lo spettro a destinazione, completando la missione e trasportando l’informazione!

FOTODIODO: Oh gentilissimo! Ma tu come fai a sapere tutto questo?

ACCEPTANCE CONE: nulla di complicato, sa a me piace avere rapporti cordiali con tutti. Tutti mi comunicano il loro indice di rifrazione, e come sancito dal Trattato Di Snell, è sempre possibile trovare un giusto orientamento che renda possibile realizzare il Vostro desiderio di trasportare l’informazione, perchè…

FOTODIODO: va bene, va bene, mi hai convinto… Dammi l’angolo massimo

ACCEPTANCE CONE: 2 gradi signore

FOTODIODO: Supporti meccanici, in posizione per l’allineamento!

SUPPORTI: Allineamento con la fibra garantito signore!

FOTODIODO: Spettro in partenza… Spettro pronto… Accensione… Partenza!

SPETTRO: Buongiorno Core, sono lo spettro MD35-70!

CORE: Benvenuto spettro… Qui sarai accolto per tutto il tempo del tuo viaggio, sei a casa tua e nessuno ti porterà via!

SPETTRO: Ma è bellissimo qui! Non mi serve altro! Il mio orientamento mi suggerisce che questo è il posto in cui voglio restare… Se troverò Mr. Cladding, non avrò dubbi a tornare indietro e a stare qui!

Il sensore FBG

Il sensore FBG (Fiber Bragg Grating) è una rimodulazione periodica dell’indice di rifrazione del core. Tale rimodulazione si comporta come un filtro selettivo in frequenza: quando la luce, trasmessa dalla fibra ottica, attraversa il reticolo, tutte le lunghezze d’onda possono attraversare il reticolo. Una specifica lunghezza, però, detta lunghezza di bragg, viene riflessa nella direzione opposta al moto di propagazione e rappresenta l’output del sensore.

INTERROGATORE: Signori delle lunghezze d'onda, in fila! Si parte. Tutti in riga al canale 1?

LUNGHEZZE D'ONDA: Si signor Interrogatore!

INTERROGATORE: Reticolo di Bragg, sei in posizione?

RETICOLO: Si signor Interrogatore!

INTERROGATORE: Computer in modalità ricevente!

COMPUTER: Modalità ricevente impostata signore.

INTERROGATORE: Lunghezze d'onda , partenza!

Lo spettro, contenente le lunghezze d’onda, viene trasmesso nella fibra ottica come già spiegato…

RETICOLO: Al vostro passaggio, identificatevi!... Lunghezza di Bragg, respinta!

L.DI BRAGG: Ma signor sensore, cosa ho di diverso?

RETICOLO: Sei diretta proporzione del mio passo, non puoi passare.

L.DI BRAGG: Ma questa è discriminazione! Mi vieti il passaggio solo perché sono diversa dagli altri? Io non lo accetto, io mi ribello!

RETICOLO: Cara lunghezza, non dipende né da me né da te. Ma dipende da quello che succede fuori. Vedi, se anche io ti dicessi che puoi passare, in questo momento… Tu non ne saresti in grado. Oggi tocca a te, e la cosa non ti fa piacere. Ma domani sarà un altro giorno. Se farà un po’ più caldo, vedi che non sarai tu a dover tornare indietro

L. DI BRAGG: Non capisco signor sensore

RETICOLO: è normale che sia così. Ma devi sapere che io non sono sempre uguale a me stesso. Cambio, mi allungo e mi restringo, a seconda di quello che succede fuori. Se fa caldo, io mi allungo. E allora saranno le tue sorelle maggiori a dover tornare indietro. Se invece fa freddo, io mi restringo. E toccherà alle tue sorelle minori tornare indietro. Hai capito?

L.DI BRAGG: Si, ho capito che ci sarà sempre una di noi discriminata. Bell’affare…

RETICOLO: Ma no, non essere così dras…

INTERROGATORE: Lunghezza di Bragg Torna a casa subito! Reticolo, lasciala in pace!

L.DI BRAGG: Subito signor interrogatore, alla velocità della luce!

INTERROGATORE: Ecco brava, torna immediatamente perché la tua presenza è fondamentale…Picco riflesso identificato… sensore rilevato… dato salvato!

L.DI BRAGG: Talmente importante che sono l’unica che non può andare avanti

INTERROGATORE: Ma figlia mia, è proprio per questo che sei la più importante! Il fatto che sia tu a essere tornata indietro, mi permette di capire che cosa succede là fuori! So che il signor reticolo è un po’ grezzo, e che le tue sorelle non possono capire… Ma il tuo tornare qui, il tuo essere diversa, il tuo cammino… è ciò che dà un senso a tutti noi. Rende reticolo un sensore… Rende me uno strumento smart… Rende la nostra fibra utile… E soprattutto rende te, cara lunghezza di Bragg, l’unica che verrà salvata, l’unica di cui si terrà traccia

L.DI BRAGG: Ma io… non lo sapevo… Come è possibile?

INTERROGATORE: nulla di tutto questo sarebbe possibile se ognuno agisse da solo. Ma nell’interazione sta la ricchezza. Nei nostri dialoghi, puramente ottici, si cela la nostra natura più potente… Quella fotonica! Ora riposati, che  breve inizierai un altro viaggio: il signor PC ti attende!

La trasmissione  e la visualizzazione del segnale 

I dati dei sensori FBG vengono inviati al PC mediante cavo di LAN. La connessione è possibile mediante identificazione della rete tramite indirizzo IP dell'interrogatore. I dati vengono salvati su un file con estensione .txt

INTERROGATORE: dato in arrivo sul canale 1. Cavo di LAN, impostare connessione!

LAN: Ricevuto signore!

PORTA PC: Avviso al pannello di controllo, nuova connessione di rete identificata

PANNELLO DI CONTROLLO: connessione di rete sconosciuta! Esito negativo, comunicazione NON consentita

PORTA PC: sembrano informazioni importanti signore, degne di nota… Oserei dire fotoniche

PANNELLO DI CONTROLLO: ricevuto. Richiedere IP di provenienza per consentire la comunicazione

PORTA PC: Gentili dati, l’ingresso è consentito solo tramite identificazione con IP

LAN: certamente signori. Porto le informazioni di sua fotonica applicata Interrogatore Smart Scan, indirizzo IP 10.0.0.150. Conteniamo dati sensibili trasportati in fibra ottica. Necessitano di accoglienza immediata, dopo un viaggio alla velocità della luce

PORTA PC: controllo indirizzo IP in corso… Accesso consentito! La porta di comunicazione resterà operativa fino a quando resterà valida la vostra identificazione

INTERROGATORE: nessun problema, posso lavorare per ore e ore senza accumulare la minima fatica… ma ho bisogno al più presto che mi forniate uno spazio di accoglienza, le lunghezze d’onda arrivano a frotte e io non ho spazio interno per accoglierle tutte.

CPU: nessun problema. Txt!

TXT: Si signore!

CPU: necessità urgente di accogliere il dato in arrivo da PORTA PC!

TXT: subito all’opera! Modalità scrittura attività! Accoglienza attiva!

CPU: processo iniziato! Accogliere dati!

LUNGHEZZE D’ONDA: è stato un lungo viaggio… Ma adesso… Adesso siamo arrivati a casa, una nuova casa dove possiamo essere noi stessi, possiamo essere quel dato per il quale siamo stati generati. 

All'improvviso... Il caos

 I dati dei sensori FBG possono essere persi in due modi differenti. In primis, se si scollega il cavo LAN che unisce PC e interrogatore. Ma c’è anche un altro metodo, che lasciamo scoprire direttamente dai dialoghi…

INTERROGATORE: dato in arrivo sul canale 1. Cavo di LAN, impostare connessione!

LAN: Ricevuto signore!

CLIP DELLA LAN: Facile rispondere sempre presente… Tanto il lavoro scomodo lo facciamo noi. Ore e ore fermi a reggere il peso del cavo… A tenerlo fermo in posizione, per assicurare il transito dei dati. Nessun diritto, solo il dovere di lavorare. Se i dati arrivano è merito del cavo, se non arrivano è colpa nostra… Nessuna regola… Nessun orario… Acquisizioni a ogni ora, a ogni ritmo, a ogni frequenza… Il tutto per trasmettere migliaia e migliaia di dati in arrivo da quel filo di vetro. Ma cosa ci trovano poi?!

PORTA PC: Avviso al pannello di controllo, nuova connessione di rete identificata

CLIP DELLA LAN: Non ci rispondi LAN? Davvero dai così per scontato il nostro lavoro?

PANNELLO DI CONTROLLO: connessione di rete riconosciuta! Benvenuto LAN, un piacere rivederti!

LAN: Ma certamente è un piacere rivederti PORTA PC! Da te si sta sempre così bene…

CLIP DELLE LAN: Ma secondo te di chi è il merito?

LAN: Clip basta lamentarvi! Se io sto bene nella porta è merito della mia forma, dei miei dati e dell’accoglienza che la cara porta mi riserva ogni volta. Voi, senza di me, sareste una nullità, sareste spazzatura, non esistereste nemmeno. E ora vi lamentate pure, che coraggio!

CLIPS: Ah sì? Allora vediamo quanto sarai bravo senza di noi… Per noi finisce qui, preferiamo staccarci piuttosto che essere sfruttate! Libertà per le clips!

LAN: Andate andate, tanto qui nella porta si sta così bene…

PORTA PC: Lan tutto bene? Ti sento instabile

LAN: Benissimo porta cara! Qualche problema?

PANNELLO DI CONTROLLO: connessione persa!

INTERROGATORE: trasmissione dati interrotta! Dati in pericolo!

PORTA PC: Lan, Lan, ma che combini! Stai fermo o perdiamo tutti i dati!

LAN: Ma non sto facendo nulla, come è possibile!

RICERCATORE: Questo maledetto cavo Ethernet non sta mai fermo. Le clips si rompono sempre e non si riesce più a fare nulla. Basta, è ora di passare alla trasmissione dati wireless e risolvere il problema alla radice.

LAN: Forse… Forse anche le clips erano importanti. Con la mia arroganza, ho condannato sia me che loro all’irrilevanza…

Anubi 

Epilogo

Anno 2024. Lo studente che quattro anni prima si affacciava timidamente in dipartimento sta completando il suo percorso di dottorato. L’uso dei sensori in fibra ottica è diventato uno dei punti cardine dell’attività di ricerca del gruppo di cui ora fa parte. Nel mezzo, mesi di attività, di test, di confronto e di divulgazione. Decine di studenti che si sono alternati a lavorare sul tema. Alcuni corsi che hanno iniziato a proporre esercitazioni sul tema. Una storia che sembrava fragile e impercettibile, ma che nel tempo è diventata un punto di riferimento. Un’esperienza forse non appariscente, ma di certo resistente. Un’esperienza in grado lasciare traccia di sé, portando luce. Per chi scrive, riannodare i fili di questa storia è ritrovarsi in mano con un filo di vetro. Che non smette mai di parlare. E di dar vita a dialoghi ottici di componenti fotonici.