Μεταγωγή πακέτων με ίνες υψηλής μη γραμμικότητας και οπτικές πύλες υψηλού βαθμού ολοκλήρωσης
Authors: Ζουραράκη Όλγα 
Published: August 2021

Το βασικό κίνητρο της παρούσας διατριβής, ήταν η αξιοποίηση νέων, ισχυρά μη γραμμικών οπτικών ινών και πρόσφατα αναπτυγμένων τεχνολογιών οπτικής ολοκλήρωσης ευρείας κλίμακας για τη σχεδίαση και την υλοποίηση πολύπλοκων αμιγώς οπτικών υποσυστήματων που επιτελούν βασικές δικτυακές λειτουργίες ενός κόμβου μεταγωγής πακέτων. Στα επιδειχθέντα υποσυστήματα χρησιμοποιήθηκαν τεχνικές αμιγούς οπτικής επεξεργασίας σήματος και η πειραματική τους υλοποίηση έγινε χρησιμοποιώντας ως δομικά στοιχεία οπτικές πύλες, τις οποίες αποτέλεσαν είτε οπτικές ίνες εμποτισμένες με οξείδιο του Βισμουθίου, είτε συμβολομετρικοί διακόπτες τύπου Mach-Zehnder, υβριδικά ολοκληρωμένοι σε τετραπλές συστοιχίες πάνω σε υπόστρωμα διοξειδίου του πυριτίου. Τα αμιγώς οπτικά υποσυστήματα που υλοποιήθηκαν πειραματικά επιτελούν λειτουργικές διεργασίες επιπέδων OSI 2 και 3 και περιγράφονται περιληπτικά στη συνέχεια. Έτσι, χρησιμοποιώντας αρχικά τον οπτικό συμβολομετρικό διακόπτη Μη Γραμμικό Συμβολόμετρο Υπερυψηλών Ταχυτήτων (UNI) και σαν μη-γραμμικό μέσο 0.8 m από μια ισχυρά μη γραμμική ίνα Οξειδίου του Βισμουθίου σχεδιάστηκε και προσομοιώθηκε ένας αμιγώς οπτικός 2x2 διακόπτης μεταγωγής. Το κύκλωμα προσομοιώθηκε με σήμα εισόδου οπτικά δεδομένα σε ταχύτητα μετάδοσης 40 Gb/s ενώ η χρήση μιας ισχυρά μη-γραμμικής ίνας για την διέγερση του μη-γραμμικού φαινομένου δίδει στο διακόπτη πλεονέκτημα έναντι εκείνων των διακοπτών που χρησιμοποιούν ημιαγωγούς αφού ο χρόνος απόκρισης που επιτυγχάνεται είναι μόλις μερικά fsec. Στη συνέχεια της διατριβής χρησιμοποιήθηκαν ολοκληρωμένοι οπτικοί διακόπτες ΜΖΙ τελευταίας τεχνολογίας για το σχεδίασμά και την υλοποίηση ενός αμιγώς οπτικού κυκλώματος αντιμετάθεσης χρονοσχισμών στα 10 Gb/s και ενός αμιγώς οπτικού κυκλώματος ανίχνευσης πακέτων δεδομένων στα 40 Gb/s. Το κύκλωμα αντιμετάθεσης χρονοσχισμών αποτελείται από σειριακά συνδεδεμένα στάδια καθυστέρησης, τα οποία αποτελούνται από ένα ρυθμιζόμενο μετατροπέα μήκους κύματος και γραμμές καθυστέρησης σταθερού μήκους. Για την πειραματική του υλοποίηση χρησιμοποιήθηκε μια τετραπλή συστοιχία οπτικών διακοπτών ΜΖΙ ολοκληρωμένων πάνω σε μια κοινή υβριδική πλατφόρμα. Το κύκλωμα πραγματοποίησε αντιμετάθεση τεσσάρων χρονοσχισμών και επέδειξε αλάνθαστη λειτουργία με σήμα εισόδου οπτικά πακέτα δεδομένων στα 40 Gb/s. Τέλος, το αμιγώς οπτικό κύκλωμα ανίχνευσης δεδομένων που υλοποιήθηκε πειραματικά επιτελεί ταυτόχρονα ανάκτηση ρολογιού και ανίχνευση πακέτων δεδομένων στα 40Gb/s. Πειραματικά αποτελέσματα αυτού του κυκλώματος, περιλαμβάνουν την εξαγωγής του προπορευόμενου παλμού από πακέτα δεδομένων διαφορετικού μήκους και καταπίεση των υπολοίπων παλμών κατά 8.7 dB. Τα κυκλώματα που υλοποιήθηκαν παρουσιάζουν χαρακτηριστικά όπως η διαφάνεια της λειτουργίας τους στο είδος των εισερχόμενων δεδομένων, το μειωμένο κόστος των στοιχείων που τα αποτελούν αλλά και η σταθερότητα στη λειτουργία τους, η οποία εξασφαλίζεται από το γεγονός ότι αποτελούνται από ολοκληρωμένους οπτικούς διακόπτες και μικρά μήκη οπτικών ινών. Με βάση αυτά τα χαρακτηριστικά, τα προτεινόμενα κυκλώματα αποδεικνύεται ότι μπορούν να αποτελέσουν αξιόπιστη και αποδοτική λύση για την υλοποίηση ζωτικών λειτουργικών διεργασιών στα οπτικά δίκτυα μεταγωγής πακέτων. Η διατριβή ολοκληρώνεται κάνοντας μία σύνοψη των αποτελεσμάτων της και παρουσιάζοντας κάποιες προσπάθειες που γίνονται για την ολοκλήρωση πιο σύνθετων οπτικών κυκλωμάτων τα οποία περιλαμβάνουν γραμμές καθυστέρησης όπως εκείνες που χρησιμοποιήθηκαν στο κύκλωμα αντιμετάθεσης χρονοσχισμών. Τέλος, γίνεται μια εκτίμηση για το μέλλον των αμιγώς οπτικών συστημάτων στις τηλεπικοινωνίες και γίνεται μια αποτίμηση της συνεισφοράς της παρούσας διατριβής προς την κατεύθυνση αυτή.