Οπτικά κυκλώματα μη γραμμικών ινών για την υλοποίηση σύνθετων διαδικασιών επεξεργασίας σήματος σε οπτικά δίκτυα επικοινωνιών
Authors: Κουλουμέντας Χρήστος 
Published: January 2014

Η ανάπτυξη αμιγώς οπτικών διατάξεων επεξεργασίας σήματος αποτελεί σταθερή ερευνητική επιδίωξη με στόχο την επέκταση της διαφάνειας των οπτικών δικτύων και την πλήρη αξιοποίηση του εύρους ζώνης που παρέχει η οπτική ίνα ως φυσικό μέσο μετάδοσης. Για την υλοποίηση αυτού του είδους των διατάξεων, η αξιοποίηση των μη γραμμικών ινών και γενικότερα των μη γραμμικών μέσων Kerr, αποτελεί βασική επιλογή καθώς διαθέτουν τη δυνατότητα λειτουργίας σε υπερυψηλούς ρυθμούς μετάδοσης λόγω της φύσης του φαινομένου Kerr και της πρακτικά ακαριαίας απόκρισης της αντίστοιχης μη γραμμικότητας. Μέσα σε αυτό το πλαίσιο, η διατριβή εστιάζει στη μελέτη, ανάπτυξη και πειραματική αξιολόγηση πρωτότυπων διατάξεων μη γραμμικών ινών για την οπτική επεξεργασία σήματος, οι οποίες διακρίνονται για τη σύνθετη λειτουργικότητα και τη συμβατότητά τους με καινούργια σχήματα κωδικοποίησης και επιβεβαιώνουν ανεπιβεβαίωτα ως σήμερα εν πολλοίς χαρακτηριστικά των μη γραμμικών ινών, όπως η δυνατότητα πολυκυματικής λειτουργίας και ταυτόχρονης επεξεργασίας πολλαπλών καναλιών WDM. Υπό αυτήν την έννοια, η παρούσα διατριβή αντιπροσωπεύει μία ολοκληρωμένη και καλά ορισμένη ερευνητική προσπάθεια, συμπληρωματική ως προς την πλειονότητα των αντίστοιχων ερευνητικών προσπαθειών κατά την τελευταία δεκαετία, οι οποίες εστίασαν στην υλοποίηση απλούστερων τεχνικών σε διαρκώς υψηλότερους ρυθμούς μετάδοσης ή με τη χρήση ολοκληρώσιμων μη γραμμικών μέσων Kerr. Στα πλαίσια της διατριβής μελετήθηκαν και υλοποιήθηκαν τέσσερα συγκεκριμένα οπτικά κυκλώματα, τα οποία περιλαμβάνουν κύκλωμα πολυκυματικής αναγέννησης καναλιών WDM, κύκλωμα ανάκτησης ρολογιού από σύγχρονα ή ασύγχρονα οπτικά πακέτα μικρού μήκους, κύκλωμα αναγέννησης οπτικών σημάτων DPSK και κύκλωμα ανάδρασης για τον πολλαπλασιασμό ρυθμοδότησης ψευδοτυχαίων δυαδικών ακολουθιών (ΨΔΑ). Το κύκλωμα πολυκυματικής αναγέννησης βασίζεται στην υλοποίηση κατάλληλα σχεδιασμένου χάρτη διασποράς με χρήση συμβατικών ινών μετάδοσης και ινών αναίρεσης διασποράς, ο οποίος μειώνει τη μη γραμμική αλληλεπίδραση των καναλιών WDM επιτρέποντας την ταυτόχρονη αναγέννησή τους με τη βοήθεια του φαινομένου της αυτοδιαμόρφωσης φάσης. Το κύκλωμα ανάκτησης ρολογιού βασίζει τη λειτουργία του στη χρήση φίλτρου Fabry-Perot και περιοριστή οπτικής ισχύος μη γραμμικής ίνας. Ο περιοριστής οπτικής ισχύος δέχεται την έξοδο του φίλτρου Fabry-Perot, καταπιέζει δραστικά τη διακύμανση πλάτους που αυτή παρουσιάζει, και αποδίδει κατά αυτόν τον τρόπο ανακτημένο σήμα ρολογιού υψηλής ποιότητας. Το κύκλωμα αναγέννησης οπτικών σημάτων DPSK βασίζει τη λειτουργία του στην αποκωδικοποίηση των εισερχόμενων σημάτων και την εκ νέου διαμόρφωση κατά φάση ενός καινούργιου φέροντος με τη βοήθεια συμβολόμετρου Sagnac μη γραμμικής ίνας. Η συγκεκριμένη διαδικασία εκμεταλλεύεται τη μη γραμμικότητα του συμβολόμετρου Sagnac, έτσι ώστε να καταπιέσει το θόρυβο φάσης και πλάτους των εισερχόμενων σημάτων και να εξασφαλίσει την αναγέννησή τους. Τέλος, το οπτικό κύκλωμα ανάδρασης χρησιμοποιεί τη συγκεκριμένη τοπολογία ανάδρασης, καθώς και την οπτική υλοποίηση πύλης OR με χρήση συμβολόμετρου Sagnac μη γραμμικής ίνας, και επιτυγχάνει τον πολλαπλασιασμό ρυθμοδότησης ΨΔΑ με μεγαλύτερη ευελιξία, ευνοϊκότερους κανόνες κλιμάκωσης και υψηλότερη ποιότητα λειτουργίας σε σύγκριση με τις αντίστοιχες συμβατικές (γραμμικές) διατάξεις πολλαπλασιασμού ρυθμοδότησης. Και τα τέσσερα κυκλώματα επιδείχθηκαν πειραματικά στην περιοχή ρυθμών μετάδοσης των 40 Gb/s, αλλά η δυνατότητα επέκτασης της λειτουργίας τους σε υψηλότερες ταχύτητες είναι δεδομένη. Η πρακτική εφαρμογή τους αφορά οπτικά δίκτυα επικοινωνιών πρώτης, δεύτερης και τρίτης γενιάς, καθώς και συστήματα μετρήσεων και ελέγχου λειτουργίας άλλων οπτικών στοιχείων, διατάξεων, υποσυστημάτων και συστημάτων.