Σύμφωνοι οπτικοί πομποδέκτες δυναμικών φασματικών χαρακτηριστικών για εφαρμογές σε ευέλικτα οπτικά δίκτυα υψηλής χωρητικότητας
Authors: Ηλιάδης Νικόλαος 
Published: September 2021

Η σημερινή κοινωνία μπορεί κάλλιστα να λογισθεί ως η "κοινωνία της πληροφορίας" η οποία χαρακτηρίζεται από την ολοένα και αυξανόμενη ανάγκη εξυπηρέτησης τηλεπικοινωνιακών δικτύων μεγαλύτερης χωρητικότητας για να ικανοποιηθούν στον μέγιστο δυνατό βαθμό οι ανάγκες των χρηστών για απρόσκοπτη χρήση ευρυζωνικών υπηρεσιών (εφαρμογές των μέσων κοινωνικής δικτύωσης, η τηλεόραση υψηλής ευκρίνειας, το on-line gaming κ.α). Μέχρι σήμερα οι απαιτήσεις των εφαρμογών αυτών για όλο και περισσότερη χρήση του διαθέσιμου εύρους ζώνης των δικτύων, ικανοποιούνται σε ένα μεγάλο βαθμό από οπτικά δίκτυα προηγούμενης γενιάς. Παρά το γεγονός ότι οι συμβατικές τεχνικές στον τομέα των οπτικών επικοινωνιών που αφορούσαν όλα τα στάδια της δημιουργίας και μετάδοσης ροών δεδομένων που χρησιμοποιούνται σε Legacy οπτικά δίκτυα είχαν κυριαρχήσει τα προηγούμενα χρόνια, η αλήθεια είναι ότι τα επόμενα χρόνια δεν θα είναι σε θέση να ανταπεξέρθουν στην συνεχώς αυξανόμενη ζήτηση εύρους ζώνης για τις καινούριες υπηρεσίες ευρυζωνικότητας της σύγχρονης εποχής. Πρόσφατες προβλέψεις για την ευρυζωνική συνδεσιμότητα αναφέρουν ότι την πενταετία 2016-2021 ο ετήσιος ρυθμός ανάπτυξης της παγκόσμιας τηλεπικοινωνιακής κίνησης θα είναι της τάξης του 24% αγγίζοντας συνολικά τα 3.3 Zettabyte το 2021. Η ολοένα και αυξανόμενη ζήτηση για όσο το δυνατό περισσότερο διαθέσιμο εύρος ζώνης δεν αποτελεί τον μοναδικό παράγοντα που πυροδοτεί την ανάγκη για να αναδυθεί μια νέα εποχή στις υλοποιήσεις των σύγχρονων οπτικών δικτύων. Εξίσου σημαντικό παράγοντα διαδραματίζει το δυναμικό και ευμετάβλητο προφίλ της κίνησης δεδομένων που χαρακτηρίζουν τα σύγχρονα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα. Χαρακτηριστικό είναι το γεγονός ότι η ζήτηση για video υψηλής ευκρίνειας στο διαδίκτυο, για τα οποία απαιτείται ένα τεράστιο διαθέσιμο εύρος ζώνης για να διαχειριστεί το ευμετάβλητο προφίλ της κίνησης που τα χαρακτηρίζει, αναμένεται αυξηθεί εκθετικά τα επόμενα χρόνια έως το 2020. Επιπλέον, η έκρηξη που παρατηρείται ως προς την αύξηση του αριθμού των κινητών συσκευών όπως τα smart phones και tablets τροφοδοτεί μια ακόμα αλλαγή στον τρόπο πρόσβασης στο διαδίκτυο μιας και πλέον η κίνηση δεδομένων από τις ασύρματες αυτές συσκευές η οποία έχει ένα εγγενώς δυναμικό προφίλ κυριαρχεί ως προς την δέσμευση πόρων δικτύων σε σχέση με τις συσκευές ενσύρματων επικοινωνιών. Σταθμίζοντας λοιπόν όλους τους παραπάνω παράγοντες οι Τηλεπικοινωνιακοί πάροχοι προσανατολίζονται στο να εισαγάγουν ολοένα και περισσότερο και με πιο δυναμικό τρόπο την έννοια της ευελιξίας τόσο ως προς τα σχήματα διαμόρφωσης τα οποία θα χειρίζεται ένας οπτικός πομποδέκτης (transceiver) όσο και στον τρόπο με τον οποίο θα κατανέμεται το διαθέσιμο εύρος ζώνης. Τα μέχρι τώρα συμβατικά δίκτυα σταθερού πλέγματος της προηγούμενης γενιάς τείνουν να εγκαταλειφθούν με την τάση η οποία υιοθετείται κατά κόρον στα δίκτυα υψηλής χωρητικότητας να επιτάσσει τη δυναμική προσαρμογή του διαθέσιμου εύρου ζώνης των δικτύων ώστε να οδηγηθούμε σε υλοποιήσεις ευέλικτων οπτικών δικτύων (ΕΟΝ) τα οποία θα μπορούν να ελέγχονται απομακρυσμένα με κατάλληλα προγράμματα λογισμικών (software defined networking - SDN). Μέσα σε αυτά τα ερευνητικά πλαίσια η ευρωπαϊκή ερευνητική κοινότητα αντιλαμβανόμενη τις προαναφερθείσες απαιτήσεις και ανάγκες και ακολουθώντας τις σύγχρονες τάσεις που επιτάσσουν υλοποιήσεις ευέλικτων τηλεπικοινωνιακών δικτύων, προκηρύσσει συνεργατικά ερευνητικά προγράμματα. Μέσω των συνεργατικών ερευνητικών προγραμμάτων δίνεται η δυνατότητα σε φορείς όπως είναι τα πανεπιστήμια, ερευνητικά κέντρα καθώς και εταιρείες να συνεργαστούν και να αλληλεπιδράσουν, ανταλλάσσοντας τεχνογνωσία που κατέχουν στο πεδίο της εξειδίκευσής τους με σκοπό την ικανοποίηση των αναγκών των θεματικών ενοτήτων που έχουν ορισθεί από την ερευνητική κοινότητα. Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματοποιήθηκε στα πλαίσια του ευρωπαϊκού ερευνητικού προγράμματος SPIRIT (Software-defined energy-efficient photonic transceivers introducing intelligence and dynamicity in terabit super channels for flexible optical networks) που αποτέλεσε σύμπραξη εξειδικευμένων συνεργατών με αποδεδειγμένο ιστορικό στον τομέα της αρχιτεκτονικής οπτικών δικτύων και των εφαρμογών, των τεχνικών software-defined networking (SDN), τον σχεδιασμό και την αξιολόγηση ευέλικτων οπτικών συστημάτων, την επεξεργασία ψηφιακού σήματος (digital signal processing - DSP), της φωτονικής ολοκλήρωσης και του packaging. Η συγκρότηση της ομάδας συνεργατών του προγράμματος SPIRIT πραγματοποιήθηκε με τέτοιο τρόπο ώστε να επιτυγχάνεται ισορροπία μεταξύ των εταίρων που προέρχονται από τον ακαδημαϊκό και βιομηχανικό κλάδο. Το consortium του προγράμματος SPIRIT αποτελείται από το εργαστήριο Φωτονικών Επικοινωνιών (ΕΦΕ) του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου ενός εκ των κορυφαίων πανεπιστημιακών ινστιτούτων στον τομέα της επεξεργασίας οπτικών σημάτων και σχεδιασμού συστημάτων επικοινωνίας (ICCS / NTUA) καθώς και δύο από τα μεγαλύτερα και πιο αναγνωρισμένα ευρωπαϊκά ινστιτούτα στον τομέα της κατασκευής φωτονικών δομών (Fraunhofer-HHI) και του σχεδιασμού των ηλεκτρονικών συστημάτων και οπτο-ηλεκτρονικής ολοκλήρωσης (IMEC). Επιπλέον, στην ομάδα των συνεργατών του SPIRIT συμμετέχουν ένα ευρωπαϊκό ινστιτούτο κατασκευής δομών πυριτίου (ΑΜΟ), μια εταιρεία εξειδικευμένη και με μακρά εμπειρία στην φωτονική ολοκλήρωση και το packaging οπτικών συστημάτων (TEO), ένας από τους ισχυρότερους προμηθευτές τηλεπικοινωνιακού υλικού παγκοσμίως (ΤΕΙ) καθώς και ένας από τους μεγαλύτερους παρόχους Τηλεπικοινωνιακών δικτύων στην Νότια Ευρώπη (ΟΤΕ). Καθοριστικό και ακρογωνιαίο λίθο στην υλοποίηση των στόχων του προγράμματος SPIRIT διαδραμάτισε το εργαστήριο Φωτονικών επικοινωνιών ΕΜΠ που αποτέλεσε τον συντονιστή του έργου εκμεταλλευόμενο την μακρά εμπειρία που κατέχει στον συντονισμό αντίστοιχων μεγάλων ευρωπαϊκών προγραμμάτων. Ο ρόλος του ΕΦΕ δεν περιορίστηκε όμως μόνο στον συντονισμό του έργου αλλά συνεισέφερε καθοριστικά στην διαμόρφωση της αρχιτεκτονικής της προτεινόμενης λύσης του ευέλικτου οπτικού πομπού με δυνατότητα σύμφωνης (coherent) μετάδοσης και λήψης δεδομένων σε συνεργασία με τους υπόλοιπους φορείς του έργου. Η προτεινόμενη λύση είχε ως στόχο την μείωση κατά 50% τόσο της ενεργειακής κατανάλωσης όσο και του κόστους παραγωγής των οπτικών πομπών για κανάλια ως 1Τbit/s καθώς και μείωση κατά 85% του συνολικού μεγέθους (footprint) του chip. Επιπρόσθετα, το ΕΦΕ συμμετείχε ενεργά στον σχεδιασμό των οπτο-ηλεκτρονικών στοιχείων (rings, couplers, waveguides, MZM) που αποτέλεσαν την ραχοκοκαλιά του silicon chip του οπτικού πομπού του SPIRIT, τον καθορισμό των παραμέτρων, στην διενέργεια προσομοιώσεων καθώς και στην τελική αξιολόγηση οπτο-ηλεκτρονικών στοιχείων όπως οι drivers, ο segmented modulator και ο MUX/DEMUX με σκοπό την αξιολόγηση της απόδοσης τους και τον επανασχεδιασμό τους όπου κρίνεται απαραίτητο. Επιπλέον, στο ΕΦΕ αναπτύχθηκε ένα portfolio από αλγορίθμους εξεργασίας ψηφιακών σημάτων (DSP) για την αξιολόγηση της λήψης και αποδιαμόρφωσης σύμφωνων σημάτων. Τέλος, συμμετείχε ενεργά στην πειραματική αξιολόγηση των πρωτότυπου ευέλικτου οπτικού πομπού και του MUX/DEMUX τόσο σε εργαστηριακό περιβάλλον (ΕΦΕ) όσο και σε περιβάλλον πραγματικής μετάδοσης και λήψης δεδομένων (Ericcson Italia). Η ποικιλομορφία των εταίρων του consortium του SPIRIT επιλέχθηκε σκοπίμως ώστε να αντικατοπτρίζεται η πολυ-επιστημονικότητα των επιμέρους milestones που έχουν τεθεί ως στόχοι του προγράμματος. Το HHI είχε μια άρρηκτη συνεργασία με τον ΕΦΕ και το IMEC για τον καθορισμό των προδιαγραφών, τον σχεδιασμό των επιμέρους οπτο-ηλεκτρονικών στοιχείων και τέλος την κατασκευή του IQ SEMZM με δυνατότητα μέγιστης ανάλυσης 5 bits ανά βραχίονα I/Q που αποτελεί την καρδιά του ευέλικτου οπτικού πομπού [5.10]. Επιπλέον, το ΗΗΙ συνεισέφερε με ουσιαστικό τρόπο στον σχεδιασμό των ηλεκτρικών διατάξεων οδήγησης (drivers) τους οποίους κατασκεύασε το IMEC εκμεταλλευόμενο την μακρά του εμπειρία σε CMOS electronics. Η ΑΜΟ με την σειρά της είναι μια εταιρεία που προσέφερε την τεχνογνωσία της στην ολοκλήρωση (integration) πάνω σε ένα SOI board δομών πυριτίου που λειτουργούν ως φίλτρα μεταβλητού φασματικού περιεχομένου και μήκους κύματος ελεγχόμενα με θερμό-οπτικό τρόπο. Το packaging του ευέλικτου οπτικού πομπού που περιλαμβάνει όλες τις οπτο-ηλεκτρονικές διασυνδέσεις, ανάπτυξη του οπτο-ηλεκτρονικού board, θερμικές προσομοιώσεις για τα επιμέρους στοιχεία καθώς και την τοποθέτηση ινών τα αναλάβει η εταιρεία TEO. Επιπλέον, η εταιρεία ΤΕΙ - Ericcson παρείχε τις εγκαταστάσεις της και τον εξοπλισμό της για την διενέργεια πειραμάτων για μετάδοση πληροφορίας DWDM σε συνθήκες πραγματικής μετάδοσης δεδομένων ταχύτητας 40 Gb/s ενώ συμμετείχε ενεργά και στον καθορισμό των σεναρίων που αξιολογήθηκαν. Τέλος, ο ΟΤΕ με την μακρά του πορεία ως ένας από τους κυρίαρχους παρόχους Τηλεπικοινωνιών συμμετείχε στον καθορισμό των προς αξιολόγηση παραμέτρων σχετικά με τα σενάρια που υλοποιήθηκαν τόσο για την αξιολόγηση των πρωτοτύπων σε εργαστηριακό περιβάλλον όσο και σε περιβάλλον πεδίου. Μέσα στο πλαίσιο συνεργασίας μεταξύ των εταίρων του προγράμματος SPIRIT εκπονήθηκε η παρούσα διδακτορική διατριβή οποία χωρίζεται σε δύο μέρη και πιο συγκεκριμένα στην πειραματική αξιολόγηση του MUX/DEMUX με δυνατότητα ευέλικτης προσαρμογής του φασματικού του περιεχομένου καθώς του χαρακτηρισμού του καινοτόμου IQ SEMZM με δυνατότητα δημιουργίας multi-level σημάτων διαμορφωμένα τόσο στο πλάτος όσο και στην φάση χωρίς την παρουσία εξωτερικού DAC. Στο πρώτο μέρος λοιπόν αυτής της διατριβής παρουσιάζεται ένα καινοτόμο στοιχείο πολυπλεξίας/από-πολυπλεξίας σε πλατφόρμα πυριτίου (SOI) για εφαρμογές ευέλικτου πλέγματος το οποίο θα διαδραματίσει καθοριστικό ρόλο στην προσέγγιση της υλοποίησης του ευέλικτου πομπού. Παρουσιάστηκε αναλυτικά όλη η αλυσίδα βημάτων τα οποία ξεκίνησαν από τον σχεδιασμό και τις προσομοιώσεις των ευέλικτων στοιχείων φιλτραρίσματος που βασίστηκαν σε 2ης τάξεως MRs (micro-racetracks) με ενσωματωμένο MZI ανάμεσα στις δύο κοιλότητες των μικρό-δακτυλίων μέχρι τον πειραματική αξιολόγηση της απόδοσης των στοιχείων αυτών. Η πειραματική αξιολόγηση αυτή πραγματοποιήθηκε σε πρώτη φάση σε μια συστοιχία ευέλικτων φίλτρων ολοκληρωμένων σε επίπεδο τσιπ φτάνοντας στην κορωνίδα της παρούσας διατριβής που ήταν ο πειραματικός χαρακτηρισμός του packaged MUX/DEMUX. Πιο συγκεκριμένα αξιολογήθηκε η ικανότητα που επιδεικνύουν τα ευέλικτα στοιχεία φιλτραρίσματος σε επίπεδο τσιπ να μεταβάλλουν δυναμικά τόσο το εύρος ζώνης τους όσο και το μήκος κύματος συντονισμού τους σε πραγματικό χρόνο με την χρήση micro-heater γεγονός που τα καθιστά κατάλληλα για χρησιμοποίηση σε εφαρμογές δικτύων ευέλικτου πλέγματος (απαραίτητη διακύμανση μεταξύ 12.5 GHz και 35 GHz). Επιπρόσθετα, παρουσιάζεται η ενδελεχείς πειραματική αξιολόγηση της απόδοσης του packaged 16x1 MUX/DEMUX πρωτοτύπου που είναι συμβατός με τα πρότυπα ευέλικτου πλέγματος (flexible-grid compliant) και πραγματοποιήθηκε στις εγκαταστάσεις του ΕΦΕ. Ο πειραματικός χαρακτηρισμός του πρωτοτύπου ήταν πολύπλευρος αξιολογώντας την λειτουργία του σε σενάρια 2x1 MUX, 1x2 DEMUX και PolMUX κάτω από ρεαλιστικές συνθήκες μετάδοσης της πληροφορίας. Επιπλέον, εκτός από τις λειτουργίες πολυπλεξίας-αποπλυπλεξίας άξια αναφοράς αναδεικνύεται ακόμα η καινοτόμα δυνατότητα πολυπλεξίας πόλωσης πάνω στο τσιπ (on chip polarization multiplexing) παρουσιάζοντας πειραματικά αποτελέσματα ομόδυνης λήψης (intradyne reception) με την χρήση σύμφωνου δέκτη ενός 24 Gbaud QPSK σήματος πολυπλεγμένο ως προς την πόλωση. Ο σχεδιασμός και η κατασκευή του MUX/DEMUX αποτέλεσε μια από τις πρώτες καινοτόμες υλοποιήσεις για την δημιουργία και διαχείριση υπερ-καναλιών (super-channels) κίνησης δεδομένων σε δίκτυα ευέλικτου πλέγματος. Στην βιβλιογραφία η μέχρι τώρα προσπάθειες για πολυπλεξία/ από-πολυπλεξία super-channels σε multi-channel transceivers είτε δεν επιδεικνύουν δυνατότητα ευέλικτης προσαρμογής της φασματικής απόστασης των καναλιών είτε βασίζονται σε free-space οπτικά συστήματα με MEMS και LCOs που απαιτούν υψηλή κατανάλωση ενέργειας και μεγάλο αποτύπωμα (footprint). Αντίθετα, η υλοποίηση του MUX/DEMUX που παρουσιάζεται στην παρούσα διδακτορική διατριβή χρησιμοποιώντας τα 2ης τάξεως MRs (micro-racetracks) με ενσωματωμένο MZI καταφέρνουν να εξασφαλίσουν μικρό footprint, κατασκευή σε πλατφόρμα πυριτίου ενώ προσφέρουν δυνατότητες δυναμικής μεταβολής των φασματικών τους χαρακτηριστικών καθιστώντας τον MUX/DEMUX ως τον καταλληλότερο υποψήφιο για τις υλοποιήσεις δεκτών ευέλικτου πλέγματος της επόμενης γενιάς. Στο δεύτερο μέρος της παρούσας διδακτορικής διατριβής πραγματοποιήθηκε μια ενδελεχής ανάλυση της λειτουργίας και των χαρακτηριστικών ενός IQ segmented Mach-Zehnder modulator τεχνολογίας InP ο οποίος έχει ολοκληρωθεί σε πλατφόρμα πυριτίου μαζί με έναν χαμηλών ενεργειακών απαιτήσεων ηλεκτρονικό driver τεχνολογίας CMOS. Ο IQ segmented modulator αποτελεί την ραχοκοκαλιά του ευέλικτου οπτικού πομπού επιτελώντας μια καινοτόμα λειτουργία αυτή του οπτικού-DAC. Στην πλειοψηφία των περιπτώσεων οι ΙQ διαμορφωτές που έχουν την δυνατότητα δημιουργίας QAM σημάτων συνδυάζονται με υψηλής ταχύτητας DACs και την χρήση αλγορίθμων ψηφιακής επεξεργασίας σήματος (DSP) γεγονός που συντελεί στην αύξηση τόσο του συνολικού μεγέθους του πομπού όσο και της ενεργειακής του κατανάλωσης καθιστώντας τους αναποτελεσματικούς για εφαρμογές όπου οι προαναφερθείσες παράμετροι θεωρούνται κρίσιμες. Οι αυξημένες απαιτήσεις για τάσης οδήγησης (Vπ voltage drive) των ολοκληρωμένων ηλεκτρικών κυκλωμάτων (integrated circuit -IC) συνεισφέρει καθοριστικά στην αύξηση της ενεργειακής κατανάλωσης των σημερινών πομποδεκτών με το ποσοστό αυτό να αναμένεται να αυξηθεί πάνω από το 50 % στις υλοποιήσεις της επόμενης γενιάς. Επομένως, καθίσταται σαφής η ανάγκη για μείωση της συνολικής ενεργειακής κατανάλωσης και την συνακόλουθη χρήση των DACs. Ο IQ SEMZM που παρουσιάζεται που παρουσιάζεται στην διατριβή έχει υιοθετήσει ένα καινοτόμο σχεδιαστικό μοντέλο χρησιμοποιώντας μια συστοιχία από drivers μικρής ενεργειακής κατανάλωσης που με τις κατάλληλες τυποποιήσεις οδηγούν στο να μειωθούν οι απαιτήσεις για τάση οδήγησης (Vπ). Επιπλέον, στην προτεινόμενη δομή του σύμφωνου οπτικού πομπού δεν χρησιμοποιείται ηλεκτρικός μετατροπέας ψηφιακού σε αναλογικό σήμα (DAC) επιτελώντας συνακόλουθα την λειτουργία ενός οπτικού-DAC με δυνατότητα ανάλυσης 5 bits ανά βραχίονα I/Q. Επιπρόσθετα, γίνεται χρήση της ώριμης τεχνολογίας CMOS ηλεκτρονικών που χαρακτηρίζεται από την ανάγκη για μικρή τάση οδήγησης στα ηλεκτρόδια του segmented modulator καθώς και τη χαμηλή κατανάλωση ενέργειας (power consumption). Η λειτουργία του ευέλικτου πομπού αξιολογήθηκε μέσω μιας σειράς προσομοιώσεων για την μετάδοση σημάτων έως και DP 32 QAM για ρυθμούς μετάδοσης της τάξης των 28 Gbaud και 32 Gbaud σε απόσταση που φτάνει τα 50 km που πραγματοποιήθηκαν ώστε να εξομοιωθούν οι συνθήκες μετάδοσης πεδίου δοκιμών στο περιφερειακό δίκτυο τηλεφωνικών κλήσεων του ΟΤΕ. Στο τελικό στάδιο της παρούσας διατριβής παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της πειραματικής αξιολόγησης του ευέλικτο οπτικό πομπό που περιλαμβάνουν καμπύλες, μετρήσεις BER και διαγράμματα οφθαλμών των multi-level σημάτων (σταθμών διαμορφωμένα τόσο κατά πλάτος με σχήματα διαμόρφωσης: NRZ, PAM-4, PAM-8 όσο και κατά φάση με σχήματα διαμόρφωσης: PSK και QPSK) που δημιουργούνται από τον ευέλικτο οπτικό πομπό με τους CMOS drivers τόσο της 1ης αλλά και της 2ης γενιάς.