Αμιγώς οπτική επεξεργασία δεδομένων σε ψηφιακά τηλεπικοινωνιακά δίκτυα
Authors: Βυρσωκινός Κωνσταντίνος 
Published: August 2021

Η υιοθέτηση των δικτύων δεύτερης γενιάς από τους σύγχρονους τηλεπικοινωνιακούς φορείς ενώ κατάφερε να μειώσει σημαντικά τον αριθμό των οπτικό-ηλεκτρονικό-οπτικών (Ο-Ε-Ο) μετατροπών στο δίκτυο, εν τούτοις επέφερε και σημαντικά μειονεκτήματα. Το γεγονός ότι η μεταγωγή της πληροφορίας πραγματοποιείται σε επίπεδο μήκος κύματος (λ), όπως επίσης και ότι για την αύξηση της χωρητικότητας των δικτύων χρησιμοποιείται ένας ολοένα αυξανόμενος αριθμός μηκών κύματος, έχει ως αποτέλεσμα την μεγάλη αναποτελεσματικότητα στη χρήση του παρεχομένου εύρους ζώνης και την μεγάλη ανάγκη για εποπτεία και έλεγχο του δικτύου αντίστοιχα. Οι παραπάνω επισημάνσεις αποτέλεσαν και το έναυσμα για την ερευνητική περιοχή στην οποία εστιάζεται η διατριβή αυτή, η οποία παρουσιάζει κυκλώματα ψηφιακής επεξεργασίας δεδομένων για μελλοντικά αμιγώς οπτικά δίκτυα. Τα κυκλώματα αυτά είναι ένα συμβολόμετρο NOLM (Non Linear Optical Loop Mirror) πολλαπλών λειτουργιών που επιδεικνύεται ως μη γραμμικός συμπιεστής σολιτονίων, ένας 2x2 Διακόπτη που βασίζεται σε μια οπτική πύλη Mach Zehnder και ένα Κύκλωμα Ανάκτησης Ρολογιού και Δεδομένων που αποτελείται από δύο οπτικές πύλες Mach Zehnder σειριακά συνδεδεμένες μεταξύ τους. Το ιδιαίτερο χαρακτηριστικό του συμβολομέτρου NOLM που παρουσιάζεται στη διατριβή αυτή αφορά το σχεδίασμά του καθώς επιτυγχάνει σταθερή ισχύ στις δύο θύρες εξόδου του, ανεξάρτητα από τις περιβαλλοντικές συνθήκες που μεταβάλλουν την πολωτική κατάσταση των δύο αντιδιαδιδόμενων σημάτων. Η πολωτική αναισθησία οφείλεται στην εισαγωγή ενός στροφέα πόλωσης Faraday (Faraday Rotator Mirror) μέσα στο βρόγχο του συμβολόμετρο. Έτσι στην αρχή παρουσιάζεται η αρχή λειτουργίας της τροποποιημένης έκδοσης του NOLM, έπειτα αναφέρονται οι προσομοιώσεις που έλαβαν χώρα ώστε να ληφθούν κάποια πρώτα αποτελέσματα και να βελτιστοποιηθεί ο σχεδιασμός του. Στην συνέχεια παρουσιάζονται τα αποτελέσματα από την υλοποίηση και πειραματική εξέταση της διάταξης και συγκρίνονται με αυτά των προσομοιώσεων. Η πολωτική αναισθησία επιβεβαιώνεται με περαιτέρω πειραματικά αποτελέσματα τα οποία και αντιπαρατίθενται με αυτά ενός συμβατικού NOLM. Στο τέλος της διατριβής προτείνονται και τρόποι βελτιστοποίησης του κυκλώματος με τη χρήση ινών φωτονικών κρυστάλλων (Photonic Crystal Fiber). Η προτεινόμενη τροποποιημένη έκδοση του NOLM μπορεί με κατάλληλο σχεδιασμό να χρησιμοποιηθεί για μια πλειάδα εφαρμογών π.χ. διακόπτης, φίλτρο, κ.α. αλλά για την κάλυψη των αναγκών του Εργαστηρίου Φωτονικών Επικοινωνιών (Ε.Φ.Ε.) επιδείχθηκε ως μη γραμμικός συμπιεστής σολιτονίων. Έτσι θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί όπως είναι ως συμπληρωματικό υποσύστημα σε ήδη υπάρχοντες πομπούς για την αναβάθμιση του ρυθμού επανάληψης με τον οποίο εκπέμπουν παλμούς οι οποίοι πρέπει να είναι μορφής επιστροφής στο μηδέν (Return to Zero-RZ). Πρέπει να σημειωθεί ότι το προτεινόμενο NOLM δεν λειτουργεί με παλμούς μορφής μη επιστροφής στο μηδέν (Non Return to Zero-RZ). Η επίδραση από μια τέτοια αναβάθμιση είναι όχι χρειάζεται ένας μικρότερος αριθμός μηκών κύματος (καναλιών) για την παροχή της ίδιας χωρητικότητας, το οποίο σημαίνει απλούστερα δίκτυα και άρα μικρότερη ανάγκη για εποπτεία και έλεγχο. Στη συνέχεια η διατριβή ασχολείται με τους Οπτικούς Ενισχυτές Ημιαγωγού (Semiconductor Optical Amplifiers-SOAs), οι οποίοι υπερτερούν σε πολλά σημεία έναντι των ινών υψηλής μη γραμμικότητας, όπως αυτή που χρησιμοποιήθηκε στο NOLM, για εφαρμογές αμιγώς οπτική επεξεργασία σήματος. Οι ενισχυτές αυτοί αποτελούν το βασικό στοιχείο των συμβολομέτρων Mach Zehnder (MZIs) που αποτελούν τις ψηφιακές πύλες του 2x2 Διακόπτη και του Κυκλώματος Ρολογιού και Δεδομένων. Τα μακροσκοπικά χαρακτηριστικά των SOAs είναι αυτά που επηρεάζουν και τα χαρακτηριστικά λειτουργίας των MZIs. Έτσι παρουσιάζεται η προσπάθεια που έγινε για την εύρεση παραμέτρων σε ένα εμπορικά διαθέσιμο πρόγραμμα προσομοιώσεων οπτικών στοιχείων (Virtual Photonics-VPI) και μεταξύ αυτών και SOAs. Ο στόχος ήταν η ομάδα παραμέτρων να διαμορφώνει το μοντέλο του SOA έτσι ώστε η μακροσκοπική συμπεριφορά αυτού να περιγράφει όσο το δυνατόν πλησιέστερα αυτή των SOAs που έχει στην κατοχή του Ε.Φ.Ε., για μια πλειάδα διαφορετικών συνθηκών λειτουργίας. Με το εργαλείο αυτό διαθέσιμο έγινε μια προσπάθεια να προβλεφθεί η απόδοση των δύο κυκλωμάτων (2x2 διακόπτης και κύκλωμα ανάκτησης ρολογιού και δεδομένων) σε ρυθμό μετάδοσης δεδομένων 40 Gbps, για τον οποίο τα δύο υποσυστήματα δεν μπορούν να εξεταστούν εύκολα πειραματικά στο Ε.Φ.Ε. Ωστόσο, πρώτα έπρεπε να επιβεβαιωθεί ότι το μοντέλο του SOA και επομένως και του ΜΖΙ λειτουργεί πολύ καλά για τα 10 Gbps. Τα πειραματικά αποτελέσματα της λειτουργίας της πύλης ως 2x2 διακόπτη σε ρυθμό μετάδοσης δεδομένων 10 Gbps παρουσιάζονται έπειτα. Αυτά συγκρίνονται με τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων, με τα οποία ταυτίζονται, επιβεβαιώνοντας έτσι την ακρίβεια του μοντέλου και των παραμέτρων του SOA σε εφαρμογές μεταγωγής. Παίρνοντας αυτό ως βάση προσομοιώνεται η απόδοση του κυκλώματος για ρυθμό μετάδοσης δεδομένων 40 Gbps. Τα αποτελέσματα αυτά αποτελούν το έναυσμα για συμπεράσματα ως προς τον τρόπο βελτιστοποίησης της λειτουργίας μιας πύλης ΜΖΙ ως 2x2 Διακόπτη για οποιοδήποτε ρυθμό δεδομένων. Με το ίδιο πρόγραμμα γίνεται αναπαραγωγή των πειραματικών αποτελεσμάτων του κυκλώματος Ανάκτησης Ρολογιού και Δεδομένων σε ρυθμό μετάδοσης δεδομένων 10 Gbps. Τα στοιχεία αυτά πιστοποιούν την ακρίβεια του μοντέλου και σε συνθήκες κορεσμού καλύπτοντας έτσι όλες τις συνθήκες λειτουργίας του SOA. Με τη βοήθεια του μοντέλου γίνεται μια πρόβλεψη για τη λειτουργία της διάταξης στα 40 Gbps, στα οποία φαίνεται ότι το κύκλωμα λειτουργεί με καλύτερα αποτελέσματα. Στο τέλος παρουσιάζεται μια μελέτη η οποία εξετάζει την ικανότητα του κυκλώματος να αφαιρεί το jitter του σήματος εισόδου, παρέχοντας την έξοδο σήμα βελτιωμένης ποιότητας, υποδηλώνοντας χαρακτηριστικά 3R αναγέννησης (reamplification, reshaping, retiming). Τα δύο αυτά κυκλώματα με την ικανότητα που έχουν να επεξεργάζονται την πληροφορία σε επίπεδο δυφίου και επομένως και σε επίπεδο πακέτου, ανεξαρτήτως μεγέθους και πρωτοκόλλου, αποτελούν ιδανικές λύσεις για τον δέκτη και τον πίνακα μεταγωγής ενός οπτικού κόμβο μελλοντικών οπτικών δικτύων μεταγωγής πακέτων. Ένας τέτοιος κόμβος μπορεί να παρέχει σε πραγματικό χρόνο επεξεργασία των εισερχόμενων πακέτων δεδομένων, χωρίς καμία ηλεκτρονική παρέμβαση. Το αποτέλεσμα από την εγκατάσταση τέτοιων κόμβων σε ένα μελλοντικό αμιγώς οπτικό δίκτυο θα είναι η πολύ πιο αποτελεσματική χρησιμοποίηση της χωρητικότητας που υπάρχει σε ένα δίκτυο. Έτσι αποφεύγεται η ανάγκη για επενδύσεις σε εγκατάσταση νέων καναλιών (μηκών κύματος) ώστε να καλυφθεί η ολοένα αυξανόμενη ανάγκη για παροχή μεγαλύτερου εύρους ζώνης στον τελικό χρήστη.