Οπτικά περιφερειακά συστήματα για υψίρρυθμες μνήμες RAM με κωδικοποίηση μήκους κύματος
Authors: Αλεξούδη Θεονίτσα 
Published: August 2021

Η ανάπτυξη της φωτονικής τεχνολογίας οδήγησε στην υλοποίηση οπτικών μνημών τυχαίας προσπέλασης που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε αντικατάσταση των ηλεκτρονικών αναλόγων τους, προσφέροντας σημαντικά πλεονεκτήματα αναφορικά με την ταχύτητα, το ίχνος επιφάνειας και την κατανάλωση ενέργειας. Αν και με την βοήθεια της φωτονικής τεχνολογίας φαίνεται σταδιακά να αναπτύσσεται η νέα πρωτοποριακή υποδομή των υπερυπολογιστών τόσο σε επίπεδο οπτικών διασυνδέσεων όσο και σε επίπεδο οπτικών μνημών, κάποια βασικά περιφερειακά συστήματα που θα καταστήσουν πλήρως λειτουργική την σύνδεση του επεξεργαστή - οπτικής μνήμης ακόμη απουσιάζουν. Τα περιφερειακά συστήματα μιας οπτικής μνήμης είναι τα βασικά εκείνα στοιχεία που αποτελούν την διεπαφή της μνήμης και είναι υπεύθυνα για ένα πλήθος λειτουργιών όπως αποκωδικοποίηση διευθύνσεων γραμμής/στήλης και έλεγχο πρόσβασης των οπτικών δεδομένων στο οπτικό κελί αποθήκευσης. Το βασικό αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι ο σχεδιασμός και η μελέτη αμιγώς οπτικών κυκλωμάτων για την ανάπτυξη οπτικής διεπαφής . Τα προτεινόμενα οπτικά κυκλώματα εκμεταλλεύονται τους τεχνολογικά ώριμους οπτικούς ενισχυτές SOA για την επίτευξη υψηλής ρυθμοαπόδοση, χαμηλής κατασκευαστικής πολυπλοκότητα αλλά και χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας μέσω της τεχνικής πολυπλεξίας με διαίρεση μήκους κύματος. Στο πλαίσιο της παρούσας διδακτορικής διατριβής, πραγματοποιήθηκε σχεδιασμός και μελέτη μιας οπτικής πολυκυματικής πύλης ελέγχου πρόσβασης στα 10Gb/s, η οποία βασίζεται σε ένα οπτικό ενισχυτή SOA. Επίσης, μελετήθηκε η αρχιτεκτονική ενός οπτικού παθητικού 2×4 αποκωδικοποιητή διευθύνσεων γραμμής σε συνδυασμό με μια οπτική πολυκυματική πύλη ελέγχου πρόσβασης και έναν παθητικό αποκωδικοποιητή διευθύνσεων στήλης. Η οπτική αρχιτεκτονική επιβεβαιώθηκε πειραματικά στα 10Gb/s για δύο διαφορετικές οπτικές πύλες ελέγχου πρόσβασης. Ακόμη, εξετάστηκε το μέγιστο επιτρεπτό μέγεθος των οπτικών αποκωδικοποιητών που παρουσιάζονται μαζί με μια εναλλακτική αρχιτεκτονική για τον οπτικό παθητικό αποκωδικοποιητή διευθύνσεων που επιτρέπει πρόσβαση σε περισσότερες γραμμές της μνήμης με την ίδια κατανάλωση ενέργειας. Επιπλέον, μελετώνται οπτικά κυκλώματα μνήμης που εκμεταλλεύονται έναν παθητικό βρόχο ανάδρασης για να επιτύχουν αποθήκευση στο οπτικό πεδίο. Συγκεκριμένα, παρουσιάζεται ένα οπτικό κύκλωμα Τ flip-flop που αποτελείται από ένα οπτικό συμβολόμετρο SOA-ΜΖΙ μαζί με ένα παθητικό βρόχο ανάδρασης. Στην συνέχεια, εξετάζεται το ίδιο κύκλωμα σε διασύνδεση για την επίτευξη της λειτουργίας ενός 2-bit οπτικού μετρητή. Αυτά τα κυκλώματα μνήμης αποτελούν ιδανικούς υποψηφίους για οπτικές υλοποιήσεις πιο περίπλοκων περιφερειακών συστημάτων, όπως είναι οι καταχωρητές ολίσθησης και οι γεννήτριες ψευδοτυχαίας ακολουθίας bit. Σε μια τέτοια περίπτωση, απαιτείται η διασύνδεση πολλαπλών σταδίων οπτικών ενισχύτων SOΑ και κατ’ επέκταση ο ορθός σχεδιασμός του οπτικού συστήματος προϋποθέτει την μελέτη της υποβάθμισης που εισάγει ο κάθε ενισχυτής SOA στα οπτικά σήματα σε κάθε στάδιο. Για το λόγο αυτό, πραγματοποιήθηκε στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής θεωρητική μελέτη για την υποβάθμιση που εισάγει ο SOA στα οπτικά σήματα κατά την διαδικασία ενίσχυσης. Συγκεκριμένα, μελετήθηκε η ντετερμινιστική χρονική ολίσθηση αλλά και οι ιδιότητες της εξίσωσης ισχύος που προκαλεί ο ενισχυτής σε εισερχόμενους ανισοϋψείς οπτικούς παλμούς.