Ultrafast noiseless polymer optical fibers

The growing demand for way more ultrafast, efficient telecommunications supporting big data stream per second is becoming day by day way more unsustainable: in 2012 the global mobile data traffic was foretold to grow from 0.9 ExaBytes to11.2 ExaBytes in just 5 years; in 2014 the energy consumption caused by a single Google search was equivalent to turning on a 60W light bulb for 17 seconds. Moreover, Google data centres collectively burn through 260 million watts, and data centres as a whole consume between 1.1\% and 1.5\% of global electricity [1]. For all these reasons, companies dealing with such big data, like Google, Facebook, Microsoft, Amazon are moving towards a full use of renewable green energy, with lesser and lesser CO_{2} footprint: their new hyperscale data centres are designed and optimized to obtain the maximum efficiency form ground up. But this efficiency cannot stop only to the capability of more exploiting the server's total capacity (like server virtualization): 40-60% of energy cost is due to cooling. Thus, to really flatten and slow down the energy need in the next years, and at the same time to mantain the data flow size unaltered (if not increased), a full transition from electrical to optical wiring is a promising solution. Optical communication is attractive because optical frequencies are several order of magnitude higher than the electrical systems' ones, and by consequence they can carry an information capacity exceeding that of microwave by a rough 10^{5} factor: indeed, coaxial cables bandwidth and transmission distance are severly limited at rate grater than few Gigabits for distances greater than 100m, and very senstitive to noise. Moreover, optical link energy consumption is way lower than electrical copper link, and rejects electromagnetic interference (EMI) completely. However, single mode optical fibers (SMF) connections require highly accurate, time demanding allignment because the extremely small core diameter (\sim10\mu m ) resulting in unsustainable installation costs, expecially in LANs where many connections are expected. The peripheral component of communications network, the so called last mile, is estimated to account for \sim95\% of the overall network, like capillaries in human body stand to arteries and veins. The backbone of this network is made of single mode silica optical fibers, which are very reliable and ultra-high bandwidth solution for long haul distance. However, the last mile is more likely to be made of simpler, more flexible, more reliable against bending shoks and vibrations, fibers: indeed in short distance application, the need of extremely low attenuation and enormous capacity of the SMF is not required. Naturally, polymers are a material class overwhelmingly superior to glasses in all the listed requirements: plastic optical fiber (POF) consists of a polymer core and cladding, and are usually multimode fiber (MMF), with much larger core diameter (up to 700\mu m), and thus relaxed allignment, which dramatically reduces the installation cost in short-reach networks. POF are easy-handling, long term reliable, resistant to thermal changes, and with high mechanical properties. However, MMF were considered, few decades ago, unsuitable for telecommunication systems, because of their low bandwidth and high modal noise. At the same time, MMF POF suffered very high losses. The following work aims to prove that for POF instead is possible reaching very low noise and low attenuation conditions: in addition, by controlling the refractive index profile of MMF POF, it is possible to reach very high bandwidth (Graded-Index POF or GI POF), once the right polymer material has been designed. All these improvements provide arguments favorable to GI POF use in short-haul areas, like data centres, and for highly stable signal transmission over fiber (Radio-over-Fiber technology), granting low energy consumption of the optical link, sustainable costs, reliability over time, and high efficiency in information transport.

La crescente domanda di telecomunicazioni ultraveloci ed efficienti che supportino grandi flussi di dati al secondo sta diventando ogni giorno più insostenibile: nel 2012 il traffico dati mobile globale è stato predetto crescere da 0,9 ExaByte a 11,2 ExaByte in soli 5 anni; nel 2014 il consumo di energia causato da una singola ricerca su Google è stato equivalente all'attivazione di una lampadina da 60W per 17 secondi. Inoltre, i data center di Google bruciano complessivamente 260 milioni di watt e i data center nel loro insieme consumano tra l'1,1% e l'1,5% dell'elettricità globale [1]. Per tutte queste ragioni, le aziende che si occupano di dati così grandi come Google, Facebook, Microsoft, Amazon si stanno muovendo verso un pieno utilizzo di energia verde rinnovabile, con un'impronta CO_ {2} minore e minore: i loro nuovi data center hyperscale sono progettati e ottimizzati per ottenere la massima efficienza da zero. Ma questa efficienza non può fermarsi solo alla capacità di sfruttare maggiormente la capacità totale del server (come la virtualizzazione dei server): il 40-60% del costo dell'energia è dovuto al raffreddamento. Pertanto, per appiattire e rallentare davvero il fabbisogno energetico nei prossimi anni e allo stesso tempo mantenere inalterate le dimensioni del flusso di dati (se non aumentate), una transizione completa dal cablaggio elettrico a quello ottico è una soluzione promettente. La comunicazione ottica è interessante perché le frequenze ottiche sono di un ordine di grandezza superiore a quelle dei sistemi elettrici e, di conseguenza, possono trasportare una capacità di informazione superiore a quella del microonde di un fattore 10 ^ {5} approssimativo: infatti, larghezza di banda e trasmissione dei cavi coassiali la distanza è severamente limitata a una velocità maggiore di pochi Gigabit per distanze superiori a 100 metri e molto sensibile al rumore. Inoltre, il consumo di energia del collegamento ottico è molto inferiore al collegamento di rame elettrico e rifiuta completamente l'interferenza elettromagnetica (EMI). Tuttavia, le connessioni a fibre ottiche monomodali (SMF) richiedono un allineamento estremamente preciso e impegnativo in termini di tempo poiché il diametro del nucleo estremamente piccolo risulta in costi di installazione insostenibili, specialmente nelle LAN in cui sono previste molte connessioni. Il componente periferico della rete di comunicazioni, il cosiddetto last mile, è stimato contare il 95% della rete globale, come i capillari nel corpo umano stanno alle arterie e alle vene.La spina dorsale di questa rete è costituita da fibre ottiche in silice monomodali, che sono soluzioni affidabili e ad altissima larghezza di banda per lunghe distanze. Tuttavia, i last miles è più realistico che siano più semplici, flessibili, più affidabili contro gli shok e le vibrazioni di flessione: infatti, nell'applicazione a breve distanza, non c'è la necessità di un'attenuazione estremamente bassa e un'enorme capacità tipica dell'SMF. Naturalmente i polimeri sono una classe di materiali assolutamente superiore agli quelli vetrosi in tutti i requisiti elencati: la fibra ottica di plastica (POF) è costituita da un nucleo e rivestimento di polimero e di solito è multimodale (MMF), con un diametro del nucleo molto più grande (fino a 700 \ mu m), e quindi allineamento rilassato, che riduce drasticamente i costi di installazione in reti a corto raggio. I POF sono maneggevoli, affidabili a lungo termine, resistenti ai cambiamenti termici e con elevate proprietà meccaniche. Tuttavia, alcuni decenni fa, gli MMF erano considerati inadatti ai sistemi di telecomunicazione, a causa della loro larghezza di banda ridotta e del rumore modale elevato. Allo stesso tempo, MMF POF soffrivano perdite di potenza molto elevate. Il seguente lavoro ha lo scopo di dimostrare che per le POF è invece possibile raggiungere condizioni di rumore molto basso e bassa attenuazione: inoltre, controllando il profilo dell'indice di rifrazione di MMF POF, è possibile raggiungere una larghezza di banda molto elevata (Graded-Index POF o GI POF ), una volta progettato il giusto materiale polimerico. Tutti questi miglioramenti forniscono argomenti favorevoli all'uso del POF GI nelle aree a corto raggio, come i data center, e per la trasmissione del segnale altamente stabile su fibra (tecnologia Radio-over-Fiber), garantendo bassi consumi energetici del collegamento ottico, costi sostenibili, affidabilità nel tempo e un'elevata efficienza nel trasporto di informazioni.