Φωτονικά ψηφιακά κυκλώματα δρομολόγησης και αναγέννησης δεδομένων για δίκτυα οπτικών ινών
Authors: Τσιώκος Δημήτριος 
Published: August 2021

Το βασικό κίνητρο της παρούσας διατριβής, ήταν η ανάπτυξη τεχνολογίας για την εξέλιξη των σημερινών τηλεπικοινωνιακών δικτύων οπτικών ινών στα επόμενης γενιάς, αμιγώς οπτικά δίκτυα μεταγωγής πακέτων. Προς αυτήν την κατεύθυνση, μελετάται η αρχιτεκτονική του οπτικού κόμβου μεταγωγής πακέτων και εντοπίζονται τα προβλήματα, που αντιμετωπίζει στον τομέα υλοποίησης, με έμφαση στην υλοποίηση των λειτουργιών σχετικά με το συγχρονισμό του κόμβου, την επεξεργασία της επικεφαλίδας και την αναγέννηση. Παράλληλα μελετώνται οι οπτικοί διακόπτες ως βασικά δομικά στοιχεία για την υλοποίηση οπτικών ψηφιακών κυκλωμάτων, προσβλέποντας στην ανάπτυξη ολοκληρωμένων κυκλωμάτων και οπτικής ολοκλήρωσης κλίμακας. Σε αυτό το πλαίσιο δομούνται στη συνέχεια οι πρωτότυπες προτάσεις της παρούσης διατριβής για την προσέγγιση και την επίλυση αυτών των προβλημάτων. Σύμφωνα με τα παραπάνω, η παρούσα διατριβή περιγράφει τη σχεδίαση, την υλοποίηση και τον πειραματικό χαρακτηρισμό μίας σειράς πρωτότυπων αμιγώς οπτικών ψηφιακών κυκλωμάτων χρησιμοποιώντας αρχικά τον οπτικό συμβολομετρικό διακόπτη Μη Γραμμικό Συμβολόμετρο Υπερυψηλών Ταχυτήτων (UNI) και κατόπιν τον ολοκληρωμένο, οπτικό συμβολομετρικό διακόπτη Mach-Zehnder (ΜΖΙ). Και οι δύο διακόπτες, είναι οπτικά ελεγχόμενοι, ενώ οπτικοί ενισχυτές ημιαγωγού χρησιμοποιούνται ως τα ενεργά στοιχεία των συμβολομέτρων. Οι διακόπτες UNI, κατασκευάστηκαν χρησιμοποιώντας διακριτά οπτικά στοιχεία και προσαρτημένη οπτική ίνα και χρησιμοποιήθηκαν για την υλοποίηση των κυκλωμάτων ανίχνευσης πακέτων και αντικατάστασης/αφαίρεσης ετικέτας για έναν οπτικό κόμβο δρομολόγησης πακέτων. Και τα δύο κυκλώματα υλοποιήθηκαν επιτυχώς με σήμα εισόδου οπτικά πακέτα δεδομένων μεταβλητού μεγέθους σε ταχύτητα μετάδοσης 10 Gb/s. Στη συνέχεια της διατριβής χρησιμοποιήθηκαν ολοκληρωμένοι οπτικοί διακόπτες ΜΖΙ τελευταίας τεχνολογίας για το σχεδίασμά και την υλοποίηση αμιγώς οπτικών αναγεννητικών διατάξεων σε ταχύτητες λειτουργίας 10 Gb/s και 40 Gb/s. Αρχικά, διασυνδέοντας δύο διακόπτες ΜΖΙ, υλοποιήθηκε επιτυχώς το κύκλωμα του 3R αναγεννητή για ασύγχρονα πακέτα μεταβλητού μήκους με δεδομένα στα 10 Gb/s. Πειραματικά αποτελέσματα του παραπάνω κυκλώματος, περιλαμβάνουν μείωση ολίσθησης φάσης από 1,5 ps στο σήμα εισόδου, σε 900 fs στο αναγεννημένο σήμα, λήψη δεδομένων χωρίς σφάλματα και βελτίωση της καμπύλης BER μεταξύ των παραπάνω σημάτων κατά 0,2 dB. Έπειτα, διασυνδέθηκαν τρεις διακόπτες ΜΖΙ για την υλοποίηση του κυκλώματος του 3R αναγεννητή για σύγχρονα πακέτα μεταβλητού μήκους με δεδομένα στα 40 Gb/s. Πειραματικά αποτελέσματα αυτού του κυκλώματος, περιλαμβάνουν μείωση ολίσθησης φάσης από 4 ps στο σήμα εισόδου, σε 950 fs στο αναγεννημένο σήμα, λήψη δεδομένων χωρίς σφάλματα και βελτίωση της καμπύλης BER μεταξύ των παραπάνω σημάτων κατά 2,5 dB. Τα κυκλώματα που υλοποιήθηκαν παρουσιάζουν χαρακτηριστικά όπως η διαφάνεια της λειτουργίας τους στο είδος των εισερχόμενων δεδομένων, η δυνατότητά τους να χειρίζονται πακέτα δεδομένων μικρού μεγέθους αλλά και τα υψηλά ποσοστά εκμετάλλευσης του διαθέσιμου εύρους ζώνης. 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. Επιπλέον, αναπτύσσεται η μεθοδολογία στην οποία θα πρέπει να βασιστεί η σχεδίαση οπτικών ψηφιακών κυκλωμάτων έτσι ώστε να αναπτυχθούν τελικά οπτικά ολοκληρωμένα κυκλώματα και έτοιμες αποδοτικές λύσεις για την οπτική μεταγωγή πακέτων στα μελλοντικά οπτικά τηλεπικοινωνιακά δίκτυα. Η διατριβή ολοκληρώνεται κάνοντας μία σύνοψη των αποτελεσμάτων της και προτείνοντας συγκεκριμένα βήματα για την περαιτέρω ερευνητική προσπάθεια η οποία αφορά αφενός την ανάπτυξη περισσότερο σύνθετων οπτικών κυκλωμάτων για οπτικά δίκτυα επόμενης γενιάς, και αφετέρου την ανάπτυξη φωτονικών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων και οπτικής ολοκλήρωσης κλίμακας με διακόπτες ΜΖΙ.