Εφαρμογές της ολοκληρωμένης οπτικής τεχνολογίας σε απαιτητικές λειτουργίες των σύγχρονων ευρυζωνικών οπτικών δικτύων
Authors: Κανέλλος Γεώργιος 
Published: August 2021

Η έρευνα της παρούσας διδακτορικής διατριβής επικεντρώνεται στη διεξοδική μελέτη των οπτικών συμβολομετρικών πυλών και στην ανάδειξη και υλοποίηση αμιγώς οπτικών υποσυστημάτων που επιτελούν απαιτητικές λειτουργίες-κλειδιά επεξεργασίας σήματος για τα μελλοντικά ευρυζωνικά οπτικά δίκτυα. Η σχεδίαση των συστημάτων μεγάλης κλίμακας γίνεται με γνώμονα την αποκλειστική χρήση των πανομοιότυπων συμβολομετρικών δομικών μονάδων, που είναι ικανές να επιτελούν όλες τις στοιχειώδεις λογικές λειτουργίες. Με τον τρόπο αυτό τα προτεινόμενα συστήματα εκμεταλλεύονται πλήρως τις πρόσφατες καινοτομίες στον τομέα της οπτικής ολοκλήρωσης και προάγουν την περαιτέρω ανάπτυξή της. Η διαδικασία παρακολουθεί το παράδειγμα εξέλιξης της ηλεκτρονικής και αποτελεί ίσως ένα από τα πρώτα βήματα στο δρόμο για το οπτικό VLSI. Στα πλαίσια αυτά, η παρούσα διδακτορική διατριβή αρχικά επιχειρεί τη θεωρητική ανάλυση και μαθηματική μοντελοποίηση των οπτικών συμβολομετρικών διατάξεων και των ενεργών δομικών τους στοιχείων, των ημιαγώγιμων οπτικών ενισχυτών SOA. Έχοντας αναγνωρίσει τα Mach-Zehnder ως τις βασικές μονάδες επεξεργασίας, η έρευνα στοχεύει στη διεξοδική μελέτη των παραμέτρων λειτουργίας τους και στην εύρεση των ορίων των επιδόσεων τους. Στον άξονα αυτό, εξομοιώνεται η λειτουργία της απαιτητικής ψηφιακής πράξης XOR και η 2R αναγέννηση δεδομένων με χρήση συμβολόμετρων Mach-Zehnder. Στη συνέχεια και στα πλαίσια αναζήτησης καινοτόμων λειτουργιών των οπτικών συμβολομετρικών διατάξεων, η μελέτη προεκτάθηκε στον ανισοζυγή διακόπτη, δηλαδή τη χρήση συζευκτών με άνισους λόγους ζεύξης, και τη ρύθμιση της λειτουργίας του συμβολομετρικού διακόπτη ως αυτομεταγωγέα, χωρίς τη χρήση εξωτερικών σημάτων. Η θεωρητική μελέτη του ανισοζυγή διακόπτη τύπου Mach-Zehnder ως ψαλιδιστή οδήγησε στην εξαγωγή της αναλυτικής έκφρασης της μη γραμμικής συνάρτησης μεταφοράς του, η οποία συνδυάζει τα πλεονεκτήματα του ψαλιδισμού και της μη γραμμικής ενίσχυσης. Τα στοιχεία αυτά οδήγησαν στην υλοποίηση του πρώτου αυτοδύναμου κυκλώματος 2R Αναγέννησης Δεδομένων Εκρηκτικής Ροής (2R BMR), η λειτουργία του οποίου βασίζεται αποκλειστικά στη χρήση ενός ανισοζυγούς διακόπτη ΜΖΙ, ικανού να λειτουργεί για ασύγχρονα πακέτα μεταβλητού μήκους σε ρυθμό μετάδοσης 40 Gb/s και δυναμικό εύρος στη στάθμη ισχύος τους ίση με 9 dB. Η έρευνα επίσης πρότεινε ένα τρόπο να μειωθεί η πολυπλοκότητα και το κόστος ενός δικτύου εκρηκτικής ροής, με την τοποθέτηση των προτεινόμενων 2R BMR αναγεννητών σε κατάλληλα επιλεγμένους ενδιάμεσους κόμβους. Με τη χρήση διάταξης ανατροφοδοτούμενου βρόχου, έγινε δυνατή για πρώτη φορά η πειραματική εξομοίωση της δικτυακής μετάδοσης δεδομένων σ’ ένα δίκτυο εκρηκτικής ροής, με χρήση των προτεινόμενων 2R BMR σε διαδοχικούς κόμβους. Το πείραμα ανέδειξε την ικανότητα διαδοχικής σύνδεσης έξι παρόμοιων οπτικών πυλών, αναδεικνύοντας ότι το σενάριο δικτυακής χρήσης τους με στόχο την σημαντική εξοικονόμηση πόρων μπορεί να γίνει πραγματικότητα. Τέλος, στα πλαίσια του σχεδιασμού και υλοποίησης πρωτότυπων οπτικών κυκλωμάτων μεγάλης κλίμακας με αποκλειστική χρήση πολλαπλών συμβολομετρικών πυλών, η παρούσα διατριβή πρότεινε σαν παράδειγμα απαιτητικού κυκλώματος με λειτουργία-κλειδί για τα σύγχρονα οπτικά δίκτυα ένα σύστημα υποδοχής στα δίκτυα εκρηκτικής ροής (OBS), μιας και η υλοποίηση τους με τρόπο αποδοτικό και οικονομικό είναι μονόδρομος για τη μετάβαση από τα οπτικά δίκτυα μεταγωγής κυκλώματος στα μελλοντικά οπτικά δίκτυα μεταγωγής πακέτων εκρηκτικής ροής. Κατασκευάστηκε ο πρώτος 3R Αναγεννητής Δεδομένων Εκρηκτικής ικανός να λειτουργεί στα 40Gb/s με ασύγχρονα και μεταβλητού μήκους πακέτα δεδομένων εκρηκτικής ροής με έντονη απόκλιση ισχύος. Το κύκλωμα χρησιμοποίησε τέσσερα διαδοχικά υβριδικά ολοκληρωμένα συμβολόμετρα Mach-Zehnder, καθένα από τα οποία εκτελούσε μια διαφορετική μη γραμμική λειτουργία.