La tecnologia della fibra ottica è diventata la pietra angolare delle moderne reti di comunicazione, alla base dell’internet globale, dei servizi cloud e di una moltitudine di altre applicazioni ad alta intensità di dati. Per decenni, le tradizionali fibre a nucleo solido, principalmente in vetro di silice, sono state il mezzo dominante per la trasmissione dati ad alta velocità. Tuttavia, le crescenti esigenze di larghezza di banda, minore latenza e maggiore sicurezza stanno guidando l’esplorazione e lo sviluppo di tecnologie di prossima generazione. Tra queste, la fibra ottica HOLLOW CORE (a nucleo vuoto) si distingue come un approccio rivoluzionario con il potenziale per superare alcune limitazioni fondamentali delle sue controparti tradizionali, promettendo una nuova era nelle capacità di trasmissione dati. Questo rapporto approfondisce le complessità della tecnologia della fibra a hollow core, tracciandone le origini, esplorandone le proprietà uniche, analizzandone le potenziali applicazioni ed esaminando i principali attori e le dinamiche di mercato che ne plasmano il futuro.

La ricerca pionieristica dell’Università di Southampton: le basi per la tecnologia Hollow Core

L’Optoelectronics Research Centre (ORC) dell’Università di Southampton si è affermato come leader globale nel campo della ricerca e sviluppo sulla fibra ottica, spingendo costantemente i confini della tecnologia della comunicazione ottica. L’ORC è stato all’avanguardia nello sviluppo di una nuova generazione di fibre ottiche con nuclei riempiti d’aria, che promettono significativi progressi in un ampio spettro di applicazioni, dalle comunicazioni ottiche ai sensori ottici ultraprecisi. La ricerca presso l’ORC ha dimostrato le prestazioni superiori di queste fibre a nucleo vuoto nella trasmissione di segnali a radiofrequenza (RF) su distanze superiori a un chilometro, superando le fibre ottiche standard in questo specifico ambito.  

I vantaggi offerti dalle fibre a nucleo vuoto, come identificato dai ricercatori di Southampton, includono una minore distorsione non lineare, la capacità di gestire livelli di potenza ottica più elevati, una ridotta perdita di segnale e una latenza significativamente inferiore. Inoltre, una caratteristica unica delle fibre hollow core è l’immunità del tempo di propagazione del segnale ai cambiamenti ambientali, una proprietà in cui superano significativamente le fibre tradizionali. Mentre la saggezza convenzionale riteneva che la propagazione del segnale attraverso la fibra ottica fosse in gran parte inalterata da fattori esterni, il tempo impiegato da un segnale per viaggiare attraverso una fibra a nucleo solido è effettivamente suscettibile alle variazioni di temperatura. Le fibre a nucleo vuoto mostrano un netto miglioramento in questo aspetto. Gli interessi di ricerca dell’ORC comprendono la progettazione e la fabbricazione di queste innovative fibre ottiche a nucleo vuoto, insieme all’esplorazione delle loro applicazioni nelle comunicazioni ottiche ad alta capacità e bassa latenza e allo sviluppo di nuove fibre ottiche attive e passive.  

L’ORC vanta strutture dedicate per la fabbricazione di queste fibre leader a livello mondiale. All’interno dei loro laboratori specializzati, i ricercatori creano sia fibre hollow core che altre fibre microstrutturate utilizzando vetro di silice fuso. Dato che la silice fusa diventa fluida a temperature superiori a 1400°C, gran parte della loro lavorazione avviene a temperature estremamente elevate. La fase finale del processo di fabbricazione della fibra prevede la trafilatura di una preforma, una versione più grande e più corta del progetto previsto, in una fibra microscopica che può estendersi per diversi chilometri. Questo processo viene eseguito utilizzando una torre di trafilatura dedicata di 12 metri, dove la preforma viene riscaldata a oltre 1700°C in un forno tubolare mentre viene tirata a velocità precise per ottenere le dimensioni desiderate. La fibra viene quindi rivestita con un polimero protettivo e avvolta su una bobina. Durante questo processo, vengono impiegate la pressione del gas all’interno della microstruttura e la modellazione fluidodinamica in linea per controllare meticolosamente la struttura interna e ottenere le prestazioni ottiche mirate. Questo sofisticato processo di fabbricazione consente la creazione di fibre all’avanguardia con una perdita di segnale record, in grado di guidare la luce attraverso un’ampia gamma di lunghezze d’onda, dall’ultravioletto all’infrarosso. Queste fibre trovano applicazioni sia all’interno dell’Università di Southampton che attraverso collaborazioni con altre istituzioni accademiche e partner industriali. Un risultato chiave dell’ORC è la pionieristica di un nuovo processo di fabbricazione che consente la produzione di lunghezze record di fibra hollow core a banda ultralarga.  

La ricerca in corso presso l’ORC continua a esplorare il potenziale delle fibre antiresonanti a nucleo cavo in varie applicazioni, tra cui tecnologie di rilevamento avanzate e la fornitura di altissima potenza. I progetti di dottorato presso l’università sono attivamente focalizzati sull’ampliamento dei confini della tecnologia della fibra a nucleo vuoto, studiandone lo sviluppo per soluzioni energetiche da fusione di prossima generazione e come piattaforma per la creazione di sorgenti di luce quantistica. Il programma di ricerca Airguide Photonics presso l’ORC funge da iniziativa cruciale volta a trasferire la tecnologia della fibra a nucleo vuoto dal laboratorio di ricerca a soluzioni pratiche e implementabili, sbloccando applicazioni innovative in una vasta gamma di discipline scientifiche e ingegneristiche. In particolare, l’ORC ha svolto un ruolo fondamentale nello sviluppo delle Nested Antiresonant Nodeless Fibres (NANF), un tipo specifico di fibra a nucleo vuoto che confina la luce all’interno del vuoto centrale attraverso l’uso di sottili membrane di vetro che circondano il nucleo. Queste NANF hanno dimostrato un’attenuazione significativamente inferiore rispetto alle tradizionali fibre di vetro massiccio. Oltre un decennio di ricerca dedicata presso l’ORC è stato investito nel perfezionamento della progettazione e della fabbricazione delle NANF , portando a notevoli risultati, tra cui la produzione di fibre con un’attenuazione di soli 5 dB ogni 10 chilometri. I contributi pionieristici dell’ORC si estendono sia alle HCF a cristalli fotonici a banda proibita che alle HCF antiresonanti, stabilendo l’università come un pilastro fondamentale nell’avanzamento della tecnologia della fibra a nucleo vuoto.  

Gli sforzi di ricerca sostenuti e le scoperte presso l’ORC dell’Università di Southampton per oltre un decennio evidenziano una profonda competenza e un impegno per l’avanzamento della tecnologia della fibra a nucleo vuoto. Questo prolungato impegno sottolinea la natura complessa della tecnologia e la dedizione necessaria per superare le sfide iniziali. Il fatto che la ricerca a Southampton abbracci una moltitudine di applicazioni, dal miglioramento dell’infrastruttura di telecomunicazioni all’abilitazione di progressi nell’energia da fusione e nel calcolo quantistico, dimostra l’ampia applicabilità e i vantaggi fondamentali delle fibre a nucleo cavo. Questa versatilità suggerisce che l’impatto della tecnologia si estenderà probabilmente ben oltre il semplice miglioramento delle velocità di trasmissione dati. Lo sviluppo delle NANF, in particolare, rappresenta una svolta critica nella storia delle fibre hollow core. La significativa riduzione dell’attenuazione ottenuta con queste fibre affronta direttamente uno dei principali ostacoli che inizialmente limitavano l’adozione diffusa della tecnologia. Questa svolta ha aperto la strada alle fibre a nucleo cavo per diventare un’alternativa più praticabile e competitiva alle fibre tradizionali per la comunicazione a lunga distanza e altre applicazioni esigenti.

Luminisity: dallo spin-off all’acquisizione da parte di Microsoft

Lumenisity è nata all’inizio del 2017 come spin-off dell’Optoelectronics Research Centre (ORC) dell’Università di Southampton, creata specificamente per commercializzare le scoperte rivoluzionarie nello sviluppo della fibra ottica a nucleo cavo derivanti dai laboratori di ricerca dell’università. L’obiettivo principale dell’azienda era diventare il principale fornitore globale di soluzioni di cavi in fibra ottica a hollow core ad alte prestazioni, offrendo ai clienti connessioni affidabili e implementabili caratterizzate da bassa latenza e alta larghezza di banda, sbloccando così nuove capacità nelle reti di comunicazione. Nel settembre 2020, Lumenisity ha ottenuto un significativo round di finanziamento di 7,5 milioni di sterline da un consorzio di investitori. Questo investimento cruciale era destinato a promuovere la commercializzazione della loro ricerca all’avanguardia oltre le loro offerte di prodotti esistenti e a facilitare la costruzione di un nuovo impianto di produzione e collaudo all’avanguardia.  

Un prodotto chiave sviluppato da Lumenisity è stato il cavo CoreSmart HCF, che incorporava l’innovativa tecnologia Nested Anti-Resonant Nodeless Fiber (NANF). Questa tecnologia offriva numerosi vantaggi convincenti rispetto alle tradizionali fibre a nucleo solido, tra cui una maggiore velocità complessiva e una latenza significativamente inferiore, poiché la luce poteva viaggiare attraverso il nucleo d’aria della fibra a velocità quasi del 50% superiori rispetto alla fibra di vetro di silice standard. La struttura interna unica dell’HCF di Lumenisity forniva anche maggiore sicurezza e migliori capacità di rilevamento delle intrusioni, insieme al potenziale per costi inferiori, maggiore capacità di larghezza di banda e migliore qualità della rete grazie all’eliminazione degli effetti non lineari tipicamente presenti nelle fibre convenzionali. Inoltre, la tecnologia prometteva una perdita di segnale bassissima, consentendo l’implementazione su distanze considerevolmente maggiori.  

La tecnologia innovativa di Lumenisity ha suscitato un notevole interesse da parte dei principali attori del settore delle telecomunicazioni. In particolare, il gigante britannico delle comunicazioni BT ha condotto prove dell’HCF di Lumenisity nelle proprie reti ottiche, esplorandone il potenziale per varie applicazioni, inclusi i collegamenti crittografati quantistici. Anche il fornitore di servizi Internet americano Comcast ha implementato la fibra hollowcore di Lumenisity nella propria infrastruttura di rete. In uno sviluppo significativo, Microsoft, il gigante tecnologico globale, ha acquisito Lumenisity nel dicembre 2022. La logica strategica di Microsoft alla base di questa acquisizione era quella di espandere ulteriormente l’utilizzo dell’HCF all’interno della propria infrastruttura di cloud computing e di servire meglio i propri clienti di Cloud Platform and Services che hanno requisiti rigorosi sia in termini di latenza che di sicurezza. Microsoft ha riconosciuto i potenziali vantaggi dell’HCF in una vasta gamma di settori, tra cui sanità, servizi finanziari, produzione, vendita al dettaglio e governo, dove transazioni ad alta velocità, maggiore sicurezza, maggiore larghezza di banda e comunicazioni ad alta capacità sono fondamentali. Come parte dell’acquisizione, Microsoft prevede di utilizzare la tecnologia avanzata di Lumenisity e il suo team di esperti leader del settore per accelerare l’innovazione nelle proprie capacità di rete e infrastruttura. In particolare, poco prima dell’acquisizione, Lumenisity ha completato lo sviluppo del primo impianto di produzione HCF dedicato al mondo a Romsey, nel Regno Unito, un edificio all’avanguardia di 40.000 piedi quadrati, pronto a consentire la produzione su scala della tecnologia HCF in futuro.  

La rapida traiettoria di Lumenisity, dalla sua nascita come spin-off universitario alla sua acquisizione da parte di un gigante tecnologico come Microsoft, sottolinea la crescente fattibilità commerciale e il crescente interesse per la tecnologia della fibra a nucleo cavo. Questa rapida evoluzione, culminata in una significativa acquisizione in soli cinque anni, la dice lunga sul valore percepito e sul potenziale trasformativo delle innovazioni di Lumenisity. L’acquisizione strategica di Lumenisity da parte di Microsoft è un chiaro indicatore dell’impegno del gigante tecnologico a rafforzare la propria infrastruttura cloud con una tecnologia di rete all’avanguardia. Integrando gli attributi unici della fibra hollow core, in particolare la sua bassa latenza, Microsoft mira a ottenere un vantaggio competitivo nel soddisfare le esigenze sempre più esigenti del cloud computing, soprattutto per applicazioni sensibili alla latenza come l’intelligenza artificiale e l’elaborazione ad alte prestazioni. I vantaggi prestazionali sostenuti da Lumenisity, in particolare l’aumento di circa il 47% della velocità di trasmissione dati e la corrispondente riduzione della latenza, affrontano direttamente i limiti intrinseci dei tradizionali cavi in fibra ottica. Ciò rende la tecnologia a nucleo cavo un’alternativa altamente convincente per applicazioni specifiche e ad alto rischio in cui anche piccoli miglioramenti nella latenza possono tradursi in significativi benefici operativi e finanziari.

Fibra hollowcore vs. fibra ottica tradizionale: analisi delle differenze strutturali e funzionali

Le fibre ottiche tradizionali sono in genere costituite da un nucleo solido in vetro di silice ad elevata purezza, circondato da uno strato di rivestimento anch’esso in vetro ma con un indice di rifrazione leggermente inferiore. La luce viene guidata attraverso il nucleo da un fenomeno noto come riflessione totale interna (TIR). Quando la luce che viaggia attraverso il nucleo più denso colpisce il confine con il rivestimento meno denso con un angolo sufficientemente basso, viene riflessa nuovamente nel nucleo, rimanendo intrappolata all’interno della fibra e consentendole di percorrere lunghe distanze con una perdita minima.  

Le fibre a nucleo cavo, al contrario, rappresentano una deviazione fondamentale da questo design. Come suggerisce il nome, queste fibre presentano un nucleo centrale essenzialmente vuoto, contenente solo aria, gas inerte o vuoto. Invece di affidarsi alla TIR tra un nucleo solido e un rivestimento con diversi indici di rifrazione, le fibre a nucleo vuoto impiegano meccanismi più sofisticati per guidare la luce, come il rivestimento a cristalli fotonici (PBG) o meccanismi di riflessione antiresonanti.  

Un tipo importante di fibra hollow-core è la fibra a cristalli fotonici a banda proibita (PBG-PCF). Queste fibre hanno una struttura di rivestimento che ricorda un nido d’ape, costituito da un preciso schema di microscopici fori d’aria che corrono lungo la lunghezza della fibra. Questa disposizione periodica di fori d’aria crea una banda proibita fotonica, che è un intervallo di frequenze di luce che non possono propagarsi attraverso il rivestimento. La luce all’interno di questa banda proibita viene quindi confinata nel nucleo vuoto. Un altro design significativo è la Nested Antiresonant Nodeless Fiber (NANF), come quelle sviluppate da Lumenisity. Anche queste fibre hanno un nucleo riempito d’aria, ma il loro rivestimento è costruito da una serie di tubi capillari di vetro annidati e non a contatto, fusi alla circonferenza interna di un tubo di vetro esterno. Questa struttura crea un effetto antiresonante, in cui la luce che entra dal nucleo vuoto sperimenta un’elevata riflessione sulle membrane di vetro, riducendo significativamente la perdita per dispersione. Sia nei design PBG che NANF, la maggior parte della potenza ottica viene trasmessa attraverso il nucleo riempito d’aria.  

Una differenza fondamentale risiede nella relazione dell’indice di rifrazione tra il nucleo e il rivestimento. Nelle fibre tradizionali, l’indice di rifrazione del nucleo solido è superiore a quello del rivestimento, il che è essenziale per la TIR. Tuttavia, nelle fibre a nucleo vuoto, l’indice di rifrazione dell’aria (circa 1) è inferiore a quello del rivestimento in vetro di silice (circa 1,5). La capacità di guidare la luce nonostante questo indice di rifrazione del nucleo inferiore è ciò che rende uniche le fibre a nucleo vuoto.  

Forse la differenza funzionale più significativa deriva dal fatto che la luce viaggia sostanzialmente più velocemente nell’aria che nel vetro. La velocità della luce in un mezzo è inversamente proporzionale al suo indice di rifrazione. Poiché l’aria ha un indice di rifrazione molto inferiore rispetto al vetro, la luce si propaga attraverso il nucleo d’aria di una fibra a nucleo vuoto a una velocità molto più vicina alla velocità della luce nel vuoto (circa 300.000 km/s), che è circa il 50% più veloce della velocità della luce nel vetro di silice (circa 200.000 km/s). Questa differenza fondamentale nella velocità della luce porta a una significativa riduzione della latenza quando si utilizzano fibre senza nucleo per la trasmissione dati, con potenziali riduzioni di circa un terzo rispetto alle tradizionali fibre a nucleo di silice. La ricerca indica che la latenza delle fibre a nucleo di silice è di circa 5 microsecondi per chilometro, mentre per le fibre a nucleo vuoto è di circa 3,46 microsecondi per chilometro.  

Caratteristica	Fibra Ottica Tradizionale	Fibra Ottica a Nucleo Vuoto
Materiale del Nucleo	Silice Vetrosa Solida	Vuoto (Aria, Gas o Vuoto)
Meccanismo di Guida della Luce	Riflessione Totale Interna (TIR)	Cristalli Fotonici/Riflessione Antiresonante
Velocità della Luce nel Nucleo	Più Lenta nel Vetro	Più Vicina alla Velocità del Vuoto
Latenza Tipica	Maggiore	Minore
Effetti Non Lineari	Maggiori	Minori
Attenuazione	Standard Attuali	Potenzialmente Inferiore
Gestione della Potenza	Minore	Maggiore
Resistenza alle Radiazioni	Minore	Maggiore
Costo	Inferiore	Potenzialmente Superiore
Maturità/Disponibilità	Maggiore	Minore
Applicazioni Tipiche	Ampia Gamma	Alte Prestazioni, Specializzate

Il passaggio fondamentale dalla guida della luce attraverso un mezzo solido denso a un mezzo vuoto meno denso rappresenta una grande evoluzione nella tecnologia della fibra ottica. Questo cambiamento nel meccanismo fisico responsabile del confinamento della luce influenza direttamente le caratteristiche prestazionali della fibra. La differenza intrinseca nella velocità della luce tra aria e vetro è la ragione principale della minore latenza offerta dalla fibra hollowcore, rendendola un fattore chiave di differenziazione per le applicazioni in cui la velocità è fondamentale. Inoltre, la varietà di design strutturali all’interno delle fibre a nucleo vuoto, come PBG e NANF, riflette l’innovazione continua volta a ottimizzare attributi prestazionali come la larghezza di banda e la perdita di segnale, indicando un campo che è ancora in fase di sviluppo e perfezionamento delle proprie tecnologie.

I vantaggi di guidare la luce attraverso l’aria: maggiore velocità, minore latenza e non solo

Uno dei vantaggi più significativi delle fibre a nucleo cavo è la latenza inferiore che offrono rispetto alle tradizionali fibre a nucleo solido. Questa riduzione della latenza è una diretta conseguenza della luce che viaggia più velocemente attraverso il nucleo riempito d’aria, avvicinandosi alla velocità della luce nel vuoto. Questa maggiore velocità di trasmissione è fondamentale per le applicazioni in cui anche piccoli ritardi possono avere impatti significativi, ad esempio per le connessioni ai data-center o attività in tempo reale.  

Le fibre a nucleo vuoto mostrano anche il potenziale per una minore perdita di trasmissione. Sebbene le prime versioni della tecnologia abbiano affrontato sfide nel raggiungere una bassa attenuazione, i recenti progressi, in particolare nei design come le NANF, hanno portato a perdite paragonabili o addirittura inferiori a quelle delle fibre a nucleo di vetro standard in determinate gamme di lunghezze d’onda. Gli istituti di ricerca suggeriscono che la perdita minima teorica per le fibre a nucleo vuoto potrebbe essere ridotta a meno di 0,1 dB/km, inferiore al limite teorico di circa 0,14 dB/km per le fibre a nucleo di vetro standard. Inoltre, le fibre a nucleo vuoto possono supportare facilmente più bande ottiche, tra cui le bande O, S, E, C, L e U, offrendo uno spettro più ampio per la trasmissione dati.  

Un notevole vantaggio delle fibre a nucleo vuoto sono gli effetti non lineari significativamente ridotti rispetto alle fibre tradizionali. Gli effetti non lineari nelle fibre a nucleo vuoto sono in genere da 3 a 4 ordini di grandezza inferiori rispetto a quelli delle fibre a nucleo di vetro convenzionali. Questa riduzione consente di utilizzare una potenza ottica in ingresso significativamente più elevata senza distorsioni del segnale, consentendo così distanze di trasmissione maggiori e una migliore qualità del segnale. Nelle fibre a nucleo vuoto, oltre il 99% della potenza ottica viene trasmesso attraverso l’aria, riducendo al minimo l’interazione con il materiale della fibra e comportando una minore perdita per assorbimento del materiale e una soglia di danno laser più elevata. Ciò le rende particolarmente adatte alla trasmissione di laser ad alta potenza.  

Oltre a questi vantaggi, le fibre a nucleo vuoto offrono una bassa dispersione, il che significa che gli impulsi luminosi si diffondono meno mentre viaggiano lungo la fibra, portando a una migliore integrità del segnale. Mostrano anche una bassa sensibilità termica, rendendo le loro prestazioni meno suscettibili alle variazioni di temperatura. Inoltre, le fibre senza nucleo solido possiedono un’intrinseca resistenza alle radiazioni, una proprietà cruciale per le applicazioni in ambienti difficili come lo spazio o gli impianti nucleari. Grazie all’indice modale vicino a 1, la fibra ottica hollow core non presenta praticamente alcuna riflessione di Fresnel alle estremità della fibra, riducendo la perdita di segnale nei punti di connessione. La combinazione di questi vantaggi, tra cui il potenziale per una maggiore portata nelle reti e una migliore sicurezza dei dati, posiziona la tecnologia della fibra a nucleo vuoto come un’alternativa interessante per una vasta gamma di applicazioni avanzate.  

La combinazione unica di minore latenza ed effetti non lineari significativamente ridotti nelle fibre a nucleo vuoto crea una potente sinergia che consente la trasmissione di dati a velocità più elevate e su distanze maggiori senza il degrado del segnale che può affliggere i tradizionali sistemi in fibra ottica. Questa capacità è sempre più vitale per soddisfare le crescenti esigenze delle moderne reti. Inoltre, l’intrinseca resistenza delle fibre hollow-core alle radiazioni le rende una tecnologia potenzialmente rivoluzionaria per applicazioni specializzate in campi come la comunicazione spaziale e l’energia nucleare, dove le prestazioni delle fibre convenzionali possono essere gravemente compromesse dall’esposizione alle radiazioni. La capacità delle fibre a nucleo vuoto di supportare più bande ottiche e il potenziale per ottenere una perdita di segnale ancora inferiore rispetto alle fibre tradizionali suggeriscono un futuro in cui le reti ottiche potranno operare con una capacità notevolmente maggiore e su uno spettro di lunghezze d’onda più ampio, aprendo la strada a futuri progressi tecnologici che si basano su un’infrastruttura di comunicazione robusta e ad alte prestazioni.

Svantaggi e limiti della Fibra Ottica Hollow-Core

Nonostante i numerosi vantaggi, le fibre ottiche a nucleo vuoto presentano anche alcuni svantaggi e limitazioni. Un potenziale inconveniente è il costo potenzialmente più elevato associato alla loro produzione rispetto alle fibre tradizionali (soprattutto in questa fase iniziale). I materiali avanzati e i processi di fabbricazione specializzati richiesti per le fibre a nucleo vuoto contribuiscono a questo aumento di costo. Inoltre, alcuni design di fibre a nucleo vuoto possono essere più delicati e meno robusti delle loro controparti a nucleo solido, il che può rappresentare una sfida nella manipolazione, nell’installazione e nell’implementazione a lungo termine.  

Sebbene siano stati compiuti progressi significativi, le fibre a nucleo vuoto hanno storicamente affrontato sfide con la perdita per curvatura, il che significa che la perdita di segnale può aumentare significativamente quando la fibra viene piegata bruscamente. Tuttavia, i progressi nella progettazione delle fibre stanno migliorando continuamente la loro tolleranza alla curvatura. È anche importante notare che le fibre a cristalli fotonici, un tipo di fibra a nucleo vuoto, in genere guidano la luce su una gamma spettrale limitata, il che potrebbe non essere adatto a tutte le applicazioni che richiedono un’ampia gamma di lunghezze d’onda. Anche l’ottenimento di una guida monomodale a bassa perdita è stato un ostacolo iniziale nello sviluppo delle fibre a nucleo cavo, sebbene siano stati compiuti progressi significativi in questo settore.  

Inoltre, la tecnologia della fibra hollowcore è ancora in una fase di maturità commerciale relativamente precoce rispetto all’infrastruttura ben consolidata e alla diffusa disponibilità delle fibre ottiche tradizionali. Ciò significa che la disponibilità di prodotti in fibra a nucleo vuoto e di competenze nella loro implementazione è attualmente più limitata. Il mercato della fibra a nucleo vuoto deve anche affrontare la concorrenza di altre tecnologie emergenti, come le fibre multicore, che offrono approcci alternativi per aumentare la capacità di trasmissione dati. La scalabilità nella produzione e i costi di produzione potenzialmente più elevati dovuti alla necessità di attrezzature specializzate rimangono considerazioni importanti per l’adozione diffusa delle fibre a nucleo cavo. Anche la mancanza di una diffusa disponibilità commerciale rispetto alle fibre normali può essere un fattore limitante per alcuni potenziali utenti. Infine, l’implementazione di reti in fibra hollow-core potrebbe richiedere nuove tecniche e attrezzature di installazione, il che potrebbe rappresentare una barriera iniziale all’ingresso per alcuni operatori.
Ad esempio una reste mista con la presenza della fibra classica e hollow core prevede degli adattatori specifici.  

Il costo iniziale più elevato e la potenziale fragilità associata alle fibre a nucleo vuoto potrebbero inizialmente limitarne l’adozione ad applicazioni in cui i vantaggi prestazionali superano questi inconvenienti. Ciò suggerisce che l’adozione iniziale si concentrerà probabilmente su infrastrutture ad alto valore e critiche per la latenza o lunghe distanze, dove la velocità superiore e altri vantaggi superano l’aumento dei costi e i requisiti di manipolazione. Sebbene siano stati compiuti progressi sostanziali nell’ampliamento dello spettro operativo delle fibre a nucleo cavo, i limiti intrinseci nella larghezza di banda spettrale di alcuni design potrebbero rappresentare un vincolo per le applicazioni che richiedono la trasmissione di dati su un’ampia gamma di lunghezze d’onda. Tuttavia, gli sforzi di ricerca e sviluppo in corso focalizzati sul miglioramento della tolleranza alla perdita per curvatura e sul miglioramento della robustezza complessiva delle fibre hollow core indicano che questi limiti vengono attivamente affrontati. Questi progressi porteranno probabilmente a soluzioni con tecnologie più versatili e potenzialmente più convenienti in futuro, ampliandone l’applicabilità in una gamma più ampia di settori e casi d’uso.

Dove usare la Fibra Hollow Core: telecomunicazioni, data center e molto altro

Le proprietà uniche delle fibre hollow core le rendono adatte a una vasta gamma di applicazioni in vari settori. Nelle telecomunicazioni, la loro bassa latenza è particolarmente vantaggiosa per applicazioni sensibili alla latenza come il trading ad alta frequenza, dove anche ritardi di millisecondi possono avere implicazioni finanziarie significative. Promettono anche molto per le reti mobili di prossima generazione come il 6G, dove la bassa latenza e l’alta larghezza di banda sono fondamentali per fornire servizi e applicazioni avanzate.  

Le fibre hollow core stanno generando un notevole interesse nel campo dei data center. La loro capacità di facilitare connessioni più veloci e supportare una maggiore larghezza di banda può migliorare significativamente le prestazioni e l’efficienza delle reti dei data center. Inoltre, la minore latenza offerta di questa tecnologia può potenzialmente estendere la portata geografica dei cluster di data center senza compromettere le prestazioni, rispondendo alla crescente necessità di un’infrastruttura dati distribuita e interconnessa.  Un esempio pratico potrebbe essere quello di aprire dei data center in luoghi con basse temperature anche molto lontani, risparmiando il costo di raffreddamento dei server senza compromettere la velocità di risposta.

Nelle tratte estremamente lunghe, ad esempio le trans-oceaniche, l’utilizzo di questa fibra ottica, essendo meno soggetta al deperimento del segnale, renderebbe possibile il collegamento senza usare rigeneratori/ripetitori. In questo modo si potrebbero ridurre i costi di installazione e soprattutto di manutenzione.

Nel campo della ricerca scientifica, le fibre hollow core trovano applicazioni in aree come i sensori ottici ultraprecisi, che possono beneficiare della loro stabilità e della bassa interazione con l’ambiente. Vengono anche studiate per la sincronizzazione di telescopi astronomici, dove la precisione temporale è fondamentale. Inoltre, le fibre a nucleo cavo sono considerate una piattaforma promettente per far progredire le tecnologie di comunicazione quantistica, sfruttando le loro proprietà ottiche uniche per generare, trasmettere e distribuire luce non classica.  

La capacità delle fibre a nucleo vuoto di trasmettere laser ad alta potenza con una minima degradazione e una soglia di danno elevata apre possibilità per applicazioni industriali come la lavorazione dei materiali e la produzione, nonché per applicazioni mediche che richiedono un’erogazione laser precisa. La loro particolare sensibilità alle variazioni ambientali le rende ideali per varie applicazioni di rilevamento, tra cui la misurazione di parametri come temperatura, pressione, flusso e composizione chimica. La loro intrinseca resistenza alle radiazioni le rende particolarmente interessanti per il rilevamento in ambienti estremi, come all’interno dei reattori nucleari e nello spazio. Le potenziali applicazioni si estendono anche alla diagnostica e all’imaging medico, dove le proprietà ottiche uniche delle fibre a nucleo vuoto potrebbero portare a immagini più chiare e accurate. Inoltre, la ricerca sta esplorando l’uso di fibre a hollow core nella levitazione ottica e nella guida di particelle microscopiche. Infine, le loro capacità di bassa latenza e alta larghezza di banda le rendono interessanti nella difesa e nell’aerospazio per applicazioni come radar ad alta precisione e collegamenti di comunicazione sicuri.  

Il principale motore per l’adozione iniziale della fibra ottica a nucleo cavo sembra essere la necessità di una latenza ultra-bassa in specifiche applicazioni ad alto valore come il trading finanziario ad alta frequenza e le dorsali delle reti mobili di prossima generazione (5G e potenzialmente 6G). La significativa enfasi sul vantaggio della latenza in varie fonti suggerisce che questo è il principale vantaggio prestazionale che i primi utilizzatori stanno cercando. Le crescenti esigenze dell’intelligenza artificiale e del cloud computing stanno anche creando una forte spinta per l’uso della tecnologia della fibra a nucleo vuoto nei data center, guidata dalla necessità di una maggiore larghezza di banda, una minore latenza e potenzialmente una maggiore flessibilità geografica nelle posizioni dei data center a causa dei vincoli energetici. Oltre a queste applicazioni principali, l’esplorazione delle fibre a nucleo vuoto in una vasta gamma di campi, tra cui tecnologie di rilevamento avanzate, applicazioni laser ad alta potenza e calcolo quantistico, indica il potenziale di questa tecnologia per consentire progressi significativi oltre le tradizionali reti di comunicazione, suggerendo un impatto molto più ampio nel lungo termine.

Prismian e Relativity Networks: una partnership per l’era dell’IA

Relativity Networks, una startup statunitense, è emersa come un attore chiave nel campo della fibra ottica hollow core, concentrandosi sulla tecnologia sviluppata presso l’Università della Florida Centrale (CREOL). La loro tecnologia di fibra a nucleo vuoto (HCF) in attesa di brevetto è specificamente progettata per migliorare le connessioni dati tra i data center, rispondendo alle crescenti esigenze dell’economia guidata dall’IA. I vantaggi principali dell’HCF di Relativity Networks includono velocità di trasmissione dati più elevate, minore latenza e la capacità per i dati di viaggiare significativamente più lontano (fino a 1,5 volte) senza alcun impatto negativo sulla latenza.  

In una mossa significativa per aumentare la produzione e soddisfare la prevista elevata domanda della propria tecnologia, Relativity Networks ha stretto un accordo di partnership a lungo termine con Prysmian, un importante produttore globale di prodotti per cavi. In base a questo accordo, Prysmian co-manifatturerà fibra e cavi basati sulla tecnologia HCF di Relativity Networks presso un impianto dedicato situato all’interno del centro di produzione di Prysmian a Eindhoven, nei Paesi Bassi. Relativity Networks fornirà anche i connettori e l’hardware necessari per garantire una perfetta compatibilità con l’infrastruttura in fibra ottica esistente. L’obiettivo primario di questa collaborazione è soddisfare le esigenze in rapida crescita degli operatori di data center, in particolare quelli che supportano la fiorente economia dell’IA. Relativity Networks afferma che la propria tecnologia HCF può estendere la distanza pratica tra i data center dal limite tradizionale di 60 chilometri a 90 chilometri mantenendo i tempi di latenza di andata e ritorno critici.  

L’alleanza strategica tra Relativity Networks, un’azienda innovatrice nel campo della tecnologia della fibra a nucleo cavo, e Prysmian, leader globale nella produzione di cavi, rappresenta un passo significativo verso la produzione e la commercializzazione su vasta scala di questa tecnologia avanzata, in particolare per il mercato dei data center. Relativity Networks apporta la sua tecnologia HCF all’avanguardia, mentre Prysmian offre la sua vasta esperienza manifatturiera e la sua rete di distribuzione globale. Questa sinergia è fondamentale per superare le sfide produttive spesso associate alle nuove tecnologie e per soddisfare la prevista elevata domanda. L’attenzione specifica di Relativity Networks alle limitazioni di potenza affrontate dai data center e la capacità della sua HCF di aumentare la flessibilità geografica delle posizioni dei data center rispondono a un’esigenza critica nell’attuale panorama tecnologico, in particolare con la crescita esponenziale dell’IA e del suo associato consumo energetico. Questa partnership segnala anche una crescente fiducia all’interno del settore per quanto riguarda la praticabilità e il potenziale di mercato della tecnologia della fibra a nucleo vuoto. La volontà di Prysmian di investire in capacità produttive dedicate per l’HCF di Relativity dimostra una forte fiducia nella futura domanda di questa tecnologia, in particolare nel mercato dei data center in rapida espansione guidato dall’intelligenza artificiale. Questa collaborazione è probabile che incoraggi ulteriori investimenti e sviluppi nel più ampio settore della fibra ottica a nucleo vuoto.

L’ecosistema in crescita dell’Hollow Core

Oltre all’Università di Southampton, a Lumenisity (ora parte di Microsoft) e a Relativity Networks, diverse altre aziende e istituti di ricerca sono attivamente coinvolti nello sviluppo e nell’applicazione della fibra ottica a nucleo vuoto. OFS (Furukawa Solutions) è un altro attore significativo in questo campo, avendo condotto prove sul campo della propria tecnologia di fibra a nucleo vuoto in collaborazione con Nokia, Lyntia e Digital Realty. Queste prove dimostrano il crescente interesse e la validazione della fibra a nucleo vuoto in ambienti di rete operativi.  

Hoya Corporation, un importante produttore giapponese di ottica, ha annunciato una partnership con Lumenisity nel novembre 2023 (prima dell’acquisizione di Microsoft) con l’obiettivo di combinare le proprie competenze per accelerare lo sviluppo e la commercializzazione di fibre a nucleo vuoto. Questa collaborazione evidenzia il riconoscimento del potenziale della tecnologia a nucleo vuoto all’interno del più ampio settore dell’ottica.  

Diverse altre aziende sono anche elencate come partecipanti al mercato della fibra ottica a nucleo vuoto, tra cui LightPath Technologies e Toptica Photonics AG. È probabile che queste aziende stiano esplorando vari aspetti della tecnologia della fibra hollow core, dalla ricerca e sviluppo alle applicazioni di nicchia. Anche Huawei e Sumitomo Electric Industries starebbero esplorando l’applicazione di fibre a nucleo vuoto in aree come le reti 5G, i data center e la fornitura di laser ad alta potenza. Inoltre, Glophotonics SAS è coinvolta nello sviluppo di fibre avanzate a nucleo vuoto ottimizzate per applicazioni di rilevamento, e NKT Photonics ha fatto progredire le tecnologie di fibra a cristalli fotonici, inclusi i design a nucleo vuoto, per diverse applicazioni.  

Le iniziative di ricerca continuano a essere cruciali per far progredire la tecnologia della fibra a nucleo cavo. L’Università della Florida Centrale (CREOL) svolge un ruolo significativo, non solo attraverso la sua spin-off Relativity Networks, ma anche attraverso la ricerca e lo sviluppo in corso nel settore. La ricerca si concentra anche su aree come le HCF multimodali, che potrebbero aprire nuove applicazioni , e sui progressi nella tecnologia di fabbricazione per migliorare le prestazioni e ridurre i costi. Inoltre, lo sviluppo di tecniche basate sull’intelligenza artificiale per l’ottimizzazione della progettazione delle HCF rappresenta una frontiera entusiasmante nel settore. L’attenzione allo sviluppo di HCF ottimizzate per specifiche lunghezze d’onda indica una tendenza verso l’adattamento della tecnologia per particolari esigenze applicative.  

Azienda/Istituto	Paese/Regione	Coinvolgimento	Tecnologie/Partnership Chiave
OFS (Furukawa Solutions)	USA	Produzione, Ricerca, Prove sul Campo	Nokia, Lyntia, Digital Realty
Hoya Corporation	Giappone	Partnership per lo Sviluppo e la Commercializzazione di HCF	Lumenisity
LightPath Technologies	USA	Partecipante al Mercato
Le Verre Fluore	Francia	Partecipante al Mercato
Toptica Photonics AG	Germania	Partecipante al Mercato
Corning Inc.	USA	Ricerca e Sviluppo
Huawei	Cina	Esplorazione di applicazioni in 5G e Data Center
Sumitomo Electric Industries	Giappone	Focalizzata su applicazioni per la fornitura di laser ad alta potenza
Glophotonics SAS	Francia	Sviluppo di fibre avanzate per applicazioni di rilevamento
NKT Photonics	Danimarca	Avanzamento delle fibre a cristalli fotonici, inclusi design a nucleo vuoto
University of Central Florida	USA	Ricerca e Sviluppo, Spin-off (Relativity Networks)	Relativity Networks

Il numero crescente di aziende e istituti di ricerca attivamente impegnati nello sviluppo della fibra hollow core indica un crescente interesse globale e un livello crescente di investimenti in questa tecnologia. Questa espansione dell’ecosistema suggerisce una transizione verso un’adozione più ampia oltre le iniziali applicazioni di nicchia che sono state il focus principale. Le varie collaborazioni e partnership che si stanno formando tra queste entità sottolineano l’importanza della condivisione di competenze e risorse per spingere avanti i confini di questa tecnologia relativamente nuova e facilitarne l’implementazione. La ricerca in corso in aree come le HCF multimodali e l’uso dell’intelligenza artificiale per ottimizzare i design delle fibre indica un futuro in cui la tecnologia della fibra a nucleo vuoto diventerà più adattabile e personalizzata per soddisfare le esigenze specifiche di una gamma più ampia di applicazioni, migliorandone in definitiva le prestazioni ed espandendo i suoi potenziali casi d’uso.

Il mercato italiano della fibra ottica hollow core

Attualmente, le informazioni fornite non offrono dettagli specifici sull’adozione diretta o sulle dimensioni del mercato della fibra ottica hollow core in Italia. Tuttavia, la partnership tra Prysmian, una multinazionale italiana specializzata nella produzione di cavi per energia e telecomunicazioni, e Relativity Networks fornisce un’indicazione significativa del potenziale ingresso e futuro della tecnologia nel mercato italiano. Sebbene Prysmian inizialmente produrrà la tecnologia HCF di Relativity Networks nel suo stabilimento nei Paesi Bassi, questa collaborazione stabilisce un forte legame per la potenziale distribuzione e adozione della tecnologia in Italia in futuro.  

Guardando alle più ampie tendenze del mercato globale, si ottiene un ulteriore contesto per il potenziale della fibra ottica a nucleo vuoto in Italia. I rapporti di analisi di mercato prevedono una crescita significativa del mercato globale della tecnologia nei prossimi anni. Il settore delle telecomunicazioni è costantemente identificato come un importante utente finale di questa tecnologia, guidato dalla necessità di una minore latenza e di una maggiore capacità di larghezza di banda. Date queste tendenze globali, è ragionevole prevedere che anche gli operatori di telecomunicazioni e i fornitori di data center italiani esploreranno e potenzialmente adotteranno la tecnologia della fibra hollow core per soddisfare le crescenti esigenze di trasmissione dati ad alta velocità e bassa latenza in applicazioni come le reti 5G, i servizi di cloud computing e potenzialmente l’infrastruttura per il trading ad alta frequenza.  

Il Futuro della fibra ottica è vuoto?

La fibra ottica a nucleo vuoto rappresenta un significativo passo avanti nella tecnologia della trasmissione dati, offrendo vantaggi convincenti rispetto alle tradizionali fibre a nucleo solido, in particolare in termini di latenza, larghezza di banda e gestione della potenza. La ricerca pionieristica dell’Università di Southampton ha gettato le basi per questa tecnologia, portando allo sviluppo di design innovativi come le NANF e all’emergere di aziende come Lumenisity, la cui acquisizione da parte di Microsoft sottolinea l’importanza strategica delle fibre a nucleo vuoto per la futura infrastruttura cloud. Le differenze fondamentali nella struttura e nella funzionalità tra le fibre a nucleo vuoto e quelle tradizionali consentono una serie di caratteristiche prestazionali migliorate, aprendo diverse applicazioni in telecomunicazioni, data center, ricerca scientifica e vari altri settori. Sebbene rimangano sfide come il costo e la maturità, gli sforzi di ricerca e sviluppo in corso, uniti a partnership strategiche come quella tra Relativity Networks e Prysmian, indicano una forte traiettoria verso una più ampia adozione.

Sebbene sia improbabile che le fibre hollow core sostituiscano completamente le tradizionali fibre a nucleo solido nell’immediato futuro, sono destinate a diventare una tecnologia complementare cruciale, in particolare per le applicazioni ad alte prestazioni e critiche per la latenza. L’infrastruttura consolidata e la convenienza economica delle fibre tradizionali ne garantiranno probabilmente il continuo dominio in molti settori. Tuttavia, le crescenti esigenze di tecnologie emergenti come l’intelligenza artificiale, il 5G e oltre, e la sempre maggiore necessità di una trasmissione dati più veloce e sicura continueranno a guidare la domanda di soluzioni in fibra a nucleo vuoto.

Per quanto riguarda l’utente finale o le piccole imprese che non hanno necessità, almeno per il momento, di larghezza di banda estrema e latenze ridotte, tenendo conto anche della difficoltà di raggiungere le aree con bassa densità abitativa, è ovvio che continueranno ad essere connesse con la classica fibra ottica o tecnologie radio senza fili.

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