Studio e simulazione di un circuito di pilotaggio per trasduzione elettro-ottica per applicazioni satellitari

Prefazione Nel mondo delle telecomunicazioni, che oggi riveste un ruolo fondamentale su 
tutto il globo,  si ha una ampia gamma di scelta dei modi e mezzi trasmissivi a cui 
affidare l'informazione da trasmettere. Quest'ultima può essere rappresentata dalla 
corrente che scorre nei cavi elettrici, da un'onda radio che si propaga nell'etere, un'onda 
elettromagnetica all'interno di una struttura guidante o ancora da un raggio ottico, che 
può essere visibile o meno, e che può anch'esso propagarsi nell'etere o all'interno di una 
fibra ottica.
L’uso delle tecnologie e trasmissioni ottiche è ormai assodato per quanto riguarda le 
applicazioni terrestri con apparati che ormai riescono a convogliare flussi fino a 100 
Gbit/s.
L’interesse verso l’applicazione delle tecnologie ottiche in campo spaziale nasce da 
diversi fattori tra i quali i più importanti sono: 
- La necessità di soddisfare requisiti legati all’aumento del numero di canali e 
conseguentemente di larghezza di banda operativa.
- All’aumentare dei canali richiesti, si ha un aumento della complessità e del numero di 
apparati richiesti a bordo satellite. Di conseguenza l’uso della fibra ottica al posto del 
classico cavo RF porterebbe ad un notevole alleggerimento dell’hardware.
- L’uso della fibra ottica renderebbe le comunicazioni tra apparati interni allo stesso 
satellite immuni alle interferenze elettromagnetiche. Questa soluzione è importante ad 
esempio per evitare disturbo sulle linee RF da parte degli apparati digitali e viceversa.
Il presente lavoro svolto durante il periodo di tirocinio, è stato orientato a studiare la 
possibile implementazione di un circuito di conversione Elettro-Ottica utilizzando 
tecniche e tecnologie prendendo a riferimento i requisiti provenienti da sviluppi orientati 
ad applicazioni spaziali di prossimo futuro.
Il presente lavoro è stato svolto presso Thales Alenia Space Italia.
IV
1. Teoria Come noto lo spettro elettromagnetico è suddiviso in bande rispetto alla 
frequenza, o alla lunghezza d'onda, partendo dalle ELF alle EHF(in notazione ITU-T) 
per quanto riguarda le onde radio. Adiacente a quest'ultima banda (EHF), la quale 
arriva ad una frequenza di circa 10¹² Hz c'è la banda dell'infrarosso. La banda 
dell'infrarosso è la prima in cui si incorre percorrendo lo spettro salendo in frequenza, 
per cui possono essere adottate comunicazioni ottiche. Tuttavia in questa sezione 
dello spettro le onde elettromagnetiche sono ancora invisibili. In successione alla 
banda infrarosso troviamo la banda del visibile, che contrariamente a come si 
potrebbe pensare rappresenta una piccolissima parte di tutto lo spettro 
elettromagnetico. Le onde che risiedono in questo piccolissimo frangente sono 
caratterizzate dalla possibilità di essere percepite dall'occhio umano. Essendo appunto 
visibili hanno una connotazione cromatica propria, cioè al variare della frequenza 
(rimanendo nello spettro visibile) assumono colori diversi, dal rosso al viola in ordine 
crescente con la frequenza. Tuttavia pur essendo comunicazioni ottiche, per quanto 
riguarda il mezzo trasmissivo, l'informazione originaria deriva da un segnale elettrico 
classico proveniente dalla sorgente di segnale. E' evidente quindi che si ha bisogno di 
una trasformazione del segnale informativo, questa trasfomazione è detta trasduzione 
e quindi i dispositivi che forniscono tale prestazione trasduttori. In questo tipo di 
comunicazioni si avrà bisogno ovviamente di due tipi di trasduttori: uno in 
trasmissione ed uno in ricezione, definibili rispettivamente trasduttori elettro-ottici e 
opto-elettronici. Comunicazioni di questo tipo sono principalmente di tipo punto-
punto, il trasmettitore e il ricevitore sono in linea visiva perché il fascio ottico ha in 
genere un diametro molto piccolo. Per fare un'analogia con il mondo delle onde radio, 
possono essere visti come antenne ad altissima direttività, caratterizzate da un 
diagramma di radiazione con un lobo principale di apertura praticamente nulla. Come 
già detto inoltre il segnale può viaggiare nello spazio libero o all'interno di una fibra 
ottica. Se ci si trova in una situazione del primo tipo nel vuoto, il raggio viaggerà con 
1
una velocità prossima a quella della luce nel vuoto cioè 3 00000 km/s. Se invece è una 
propagazione guidata in fibra ottica la velocità di propagazione sarà di poco minore. 
In entrambi i casi si riesce a coprire distanze significative, nel primo caso però 
avremo un'attenuazione praticamente nulla,  mentre nel secondo con le moderne fibre 
ottiche si è raggiunta un'attenuazione media α=0,2dB/Km. I fenomeni attenuativi 
sono dovuti alla presenza di impurità chimiche nel materiale, anche comparabili con 
le lunghezze d'onda in gioco. Sono stati individuati però tre intervalli di lunghezza 
d'onda per i quali si ha un assorbimento ridotto. Viene da se che sono questi gli 
intervalli delle lunghezze d'onda di lavoro per comunicazioni ottiche. I particolari 
intervalli in cui si possono realizzare comunicazioni ottiche sono detti finestre , la 
prima finestra è la più grande e si estende dagli 8 ai 9μm ma comporta attenuazioni 
ancora sensibili. La seconda è compresa nell'intervallo 1.2÷1.3μm, infine l'ultima 
cioè quella che garantisce attenuazioni minime si trova nell'intervallo di lunghezza 
d'onda 1.5÷1.7µm. L'andamento dell'attenuazione in fibra ottica in funzione della 
lunghezza d'onda e la visualizzazione delle finestre sono rappresentate in figura 1.
Il bacino di utenza è largamente esteso, collegamenti di questo genere permettono 
velocità di trasmissione dati molto elevate, decine di Gb/s, e a differenza delle onde 
radio non incorrono in interferenze elettromagnetiche e non permettono di essere 
intercettate, il ché le rende molto adatte anche per applicazioni di tipo militare.
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Figura 1: Andamento 
dell'attenuazione in fibra
1.1 Radiazione luminosa Andiamo ad introdurre ora alcune nozioni base sulla fisica dei fenomeni ottici. 
Le radiazioni luminose si differenziano da tutte le altre onde elettromagnetiche 
proprio per la loro osservabilità su scala macroscopica e quindi la peculiarità di essere 
percepite anche dall'occhio umano. Questo fenomeno è reso possibile grazie al 
fotone. Secondo lo standard internazionale il fotone è una particella elementare, 
quanto della radiazione elettromagnetica e mediatore della interazione 
elettromagnetica . In quanto tale avrà una propria energia esprimibile come:
E[ eV ]= hf q = hc qλ Dove h sta per la costante di Planck. Si nota subito lo stretto legame con lo spettro 
elettromagnetico dalla presenza della lunghezza d'onda λ o equivalentemente dalla 
frequenza f . Possiamo inoltre definire una perturbazione ottica come una quantità 
vettoriale la cui direzione del vettore non coincide con la direzione di propagazione. 
Questo vettore prende quindi il nome di vettore ottico. Un altro concetto chiave si 
riconosce nella quantizzazione della materia, un elettrone infatti può assumere solo 
determinati valori di carica. Coerentemente con questa discretizzazione, non sono 
consentiti valori di energia interni agli intervalli dei valori ammessi. Questi valori di 
energia sono anche detti livelli o stati di energia in cui si può trovare un elettrone. 
Proprio questi due ultimi termini favoriscono una rappresentazione a bande 
dell'energia. I concetti appena illustrati sono alla base del funzionamento dei normali 
diodi pn e quindi anche dei LED. Grazie a stimolazione esterna si può far passare un 
atomo da uno livello di energia ad un altro risultando così:
E
2
− E
1
= hf Con E
1
 ed E
2
 livelli di energia rispettivamente iniziale e finale.
3
2. Dispositivi di trasduzione ottica in commercio Come detto si necessita di una trasformazione della natura fisica 
dell'informazione. In trasmissione dovremo ricavare da un segnale elettrico un 
segnale ottico(luminoso o meno). In ricezione invece dovremo captare questo segnale 
ottico informativo e ricavarne uno che sia compatibile con tutti i sistemi di 
elaborazione elettronici, ovvero necessitiamo di un segnale elettrico che sarà 
naturalmente simile al segnale elettrico trasdotto e trasmesso, a meno di fattori di 
distorsione o attenuazione presenti nei casi non ideali. Per ottenere tale 
trasformazione del segnale si ricorre ai LED e i LASER, per quanto riguarda la fase 
di invio dell'informazione, ed ai fotodiodi invece per la fase di ricezione.
2.1 Principio di funzionamento generale Il principio base del funzionamento di dispositivi ottici sta nel passaggio di 
livelli di energia da parte di un generico elettrone. I fenomeni principali che si 
riconoscono sono tre: assorbimento , emissione spontanea ed emissione stimolata . Nel 
primo caso l'interazione di un generico fotone a frequenza f 0
 con un atomo comporta 
una transizione di livello per l'elettrone, da quello di partenza E
1
 ad un livello finale 
E
2
 tali che  E
2
>E
1
, la differenza di energia tra i due livelli è proprio quella del fotone 
in questione. Questa energia è utilizzata per la transizione dell’elettrone, il ché 
giustifica l’assenza di energia irradiata.
E
2
= E
1
+ hf 0
Con il primo fenomeno quindi non si ha alcun tipo di effetto sull'uscita. Nel secondo 
caso invece un elettrone ed una lacuna si trovano nella stessa regione andando 
incontro ad una ricombinazione. L'elettrone occupando lo stato energetico della 
lacuna cede l'energia in eccesso creando il fotone. In questo caso  E
2
<E
1
. Caso ancor 
più interessante è il terzo, l'emissione stimolata. Una coppia elettrone-lacuna può 
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