Alla ricerca del tempo ... perfetto

La rete applicata alla Metrologia di Tempo e Frequenza: un link in fibra fra Torino e Firenze per confrontare orologi atomici remoti

Tutti siamo abituati ad usare la rete per scambiarci informazioni, immagini, dati. In tutti questi casi, la fibra ottica trasferisce informazioni codificate in forma digitale su segnali ottici. Ma la fibra può trasportare anche un altro tipo di segnale: luce laser continua. Questo tipo di segnale non ha alcuna utilità per la trasmissione di dati. Allora, serve a qualcosa? E a chi interessa? All’Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM), per esempio.

L’INRIM, che ha sede a Torino, ha la missione istituzionale di contribuire a definire e realizzare le unità fondamentali del Sistema Internazionale (SI) delle misure, a cui l’Italia aderisce sin dalla sua fondazione nel 1857. Uno dei compiti principali dell’Istituto è quello di disseminare le unità di misura, ovvero trasmetterle a tutta la comunità scientifica, industriale ed economica nazionale. Fra le sette unità fondamentali del SI troviamo quella di tempo, ovvero il secondo.

Cecilia Clivati
INRIM
Ricercatrice
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Alberto Mura
INRIM
Ricercatore
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Misurare il tempo in modo accurato permette di esplorare le frontiere della fisica, evidenziando anche effetti molto piccoli, come quelli dovuti alla relatività generale, per esempio, ma è fondamentale anche in discipline molto diverse fra loro, come la spettroscopia ad altissima risoluzione, la radioastronomia, la geodesia e le telecomunicazioni. Il secondo è l’unità di misura realizzabile con la più piccola incertezza, inferiore a 10^-15; ciò significa che un orologio atomico (lo strumento oggi utilizzato per realizzare il secondo) “perde” 1 secondo ogni 100 milioni di anni; per avere un confronto si può considerare che un orologio da polso perde 1 secondo ogni giorno. Tuttavia, prestazioni tanto elevate si scontrano con i problemi delle tecniche attuali di disseminazione, di tipo satellitare. Esse riducono sensibilmente la stabilità del segnale trasferito e si rivelano ormai inadeguate davanti alla realizzazione di campioni di frequenza sempre più stabili ed accurati.

Il percorso del link ottico Torino-Firenze, con le stazioni di amplificazione e le attenuazioni per ciascuna tratta

Usando la fibra ottica, invece, si dimostra un miglioramento di alcuni ordini di grandezza rispetto al satellite: i maggiori Istituti Metrologici europei si stanno così attrezzando per realizzare quest’infrastruttura su tutto il territorio continentale, per connettersi ad altri istituti di ricerca ed industrie ad alta tecnologia creando una rete europea di disseminazione via fibra dell’unità di tempo. L’INRIM, sul territorio italiano, ha avviato in collaborazione con il Politecnico di Torino e l’Università di Firenze, con il supporto di GARR, un progetto per stabilire una connessione con l’Istituto Europeo di Spettroscopia Nonlineare (LENS) di Firenze con un link in fibra di 650 km, toccando i laboratori dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare a Milano e dell’Istituto Nazionale di Astrofisica a Bologna. Tale progetto è finanziato dal Ministero dell’Università e della Ricerca fra i Progetti di Ricerca di Interesse Nazionale (PRIN) del 2009. Sul fronte internazionale, INRIM ha in progetto la connessione al Laboratoire Souterraine de Modane, nel tunnel del Fréjus al confine francese. Questo link è strategicamente molto importante perché costituirebbe un accesso alla rete in fibra francese ed europea.

Come si può misurare e trasferire l’unità di tempo con un laser?

All’INRIM si realizzano laser ultrastabili, la cui frequenza è mantenuta costante al livello di 10^-15.

Tale frequenza è misurata rispetto ad uno degli orologi primari presenti in Istituto che realizzano la definizione del secondo ed è pertanto riferita in modo assoluto all’unità fondamentale. Inviando questo laser in fibra ottica, si può trasferire l’unità di tempo dall’INRIM ad un altro laboratorio remoto rendendo possibile il confronto di un campione qualsiasi con quello del SI. Il vantaggio è che non si devono spostare i dispositivi da tarare o addirittura i campioni: la taratura si effettua a distanza con un’accuratezza soddisfacente, grazie alla fibra ottica. Questo processo presenta comunque alcune sfide tecnologiche. Il problema principale è che la fibra si allunga e si accorcia per effetto della temperatura, delle vibrazioni del terreno e degli stress meccanici ai quali è sottoposta. È fondamentale dunque distinguere il rumore della fibra dal segnale vero e proprio: per fare ciò una parte del segnale inviato viene riflesso indietro in modo da confrontarlo con il segnale originale e correggerne le variazioni, modificando la frequenza trasmessa in modo uguale e contrario a quanto fa la fibra ottica. Grazie a questo doppio passaggio l’utente riceve un segnale stabile ed accurato.

Vantaggi della rete in fibra ottica

La nuova GARR-X è ottimale dal punto di vista infrastrutturale, infatti, affinché la compensazione del rumore sia possibile, occorre un’architettura full-optical: non devono esserci nodi di conversione fra segnale ottico ed elettrico, che causano la perdita dell’informazione di fase/frequenza. Inoltre, occorrono amplificatori ottici ad hoc: non è possibile utilizzare i normali amplificatori per le telecomunicazioni, che sono unidirezionali ed amplificano separatamente i segnali nelle due direzioni. Per compensare il rumore, infatti, il segnale deve compiere esattamente lo stesso percorso nelle due direzioni. Il link Torino-Firenze sarà realizzato inizialmente su una fibra spenta, dedicata all’esperimento. In futuro, sarà possibile la riconversione su un’architettura multicanale di tipo Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM). L’attenuazione complessiva su una lunghezza di 650 km è di 200 dB. Sono previste quindi 10 stazioni di amplificazione tramite EDFA bidirezionali. Al termine del link il segnale sarà rigenerato e quindi riflesso verso l’INRIM.

Uno dei due orologi atomici a fontana di Cesio dell’INRIM.

Esistono diversi tipi di orologi atomici, a seconda dell’elemento chimico utilizzato come campione: oltre a Cesio e Rubidio si utilizzano, fra gli altri, Itterbio, Stronzio, Mercurio, che misurano frequenze ottiche e garantiscono perciò maggiore accuratezza. Un orologio basato sugli atomi è molto più accurato di qualsiasi orologio meccanico o astronomico, perché il campione a cui è riferito è immutabile, non realizzato dall’uomo e definito unicamente dalle leggi della natura.

Per mettere a punto i metodi e la tecnologia necessaria, lNRIM ha iniziato una serie di test di trasmissione su un anello urbano in fibra di 47 km con architettura DWDM, in compresenza del traffico dati. Questo anello in fibra è gestito da GARR ed utilizzato su alcuni canali per la tipica trasmissione dati; sul canale dedicato all’INRIM, invece, viaggia il segnale laser continuo utilizzato per trasferire il secondo: applicazioni molto diverse fra loro possono quindi convivere sulla stessa infrastruttura. La tratta di fibra attraversa la città, ma ha entrambe le estremità all’INRIM e quindi costituisce un testbed ottimale per simulare un link ottico su un’infrastruttura reale e studiare l’influenza che il segnale inviato dall’INRIM potrebbe avere sugli altri canali di trasmissione, e viceversa. La sorgente laser ultrastabile ed il sistema di compensazione del rumore della fibra sono già stati realizzati e dimostrati su bobine da 100 km di fibra ottica e sui 47 km dell’anello urbano. All’inizio del 2013, la tratta in fibra fra Torino e Firenze sarà operativa e si inizierà a lavorare per realizzare il link vero e proprio. Una volta completato esso consentirà al LENS di riferire i propri standard di frequenza all’unità SI; inoltre, il link in fibra ad alta risoluzione consentirà esperimenti di fisica e test della relatività generale attraverso il confronto degli orologi atomici realizzati nei due Istituti.

Il progetto a cui INRIM sta lavorando è parte di NEAT-FT (Network for European Accurate Time and Frequency Transfer), una collaborazione fra i maggiori istituti metrologici europei, finanziata dall’Unione Europea nell’ambito dei progetti dell’European Metrological and Research Programme (EMRP), che ha l’obiettivo di realizzare una rete europea per la disseminazione di tempo/ frequenza via fibra dedicata non solo ai laboratori metrologici, ma ad una comunità di utenti più vasta possibile. Tale obiettivo non potrà essere raggiunto senza il supporto delle reti nazionali della ricerca realizzate in fibra ottica, con le quali è stato avviato ormai da alcuni anni una proficua collaborazione che ha portato a risultati tecnologici e scientifici di grande valore.

Per maggiori informazioni:
www.inrim.it
www.ptb.de/emrp/neatft_home.html