Photonic integrated circuits for routing and computing applications
Creators: name: Τσακυρίδης, Απόστολος Ε.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2023
Subjects: Οπτική μεταγωγή πακέτων
Δίκτυα 5ης γενιάς
Ολοκληρωμένα φωτονικά κυκλώματα
Νευρομορφικά φωτονικά δίκτυα
Optical packet switching
5G fronthaul networks
Photonic integrated circuits
Photonic neural networks

description: Η διατριβή αφορά την ανάπτυξη αρχιτεκτονικών τύπου οπτικών ινών και ασύρματων δικτύων και οπτικού μετατροπέα μήκους κύματος εκρηκτικής ροής για φασματικά αποδοτικά, ευέλικτα και χαμηλού κόστους 5G δίκτυα καθώς και παθητικά οπτικά δίκτυα με πολυπλεξία στον χρόνo. Επιπλέον, για την αντιμετώπιση της ανάγκης για μεταγωγή υψηλής χωρητικότητας, μεγάλης κλίμακας και χαμηλής καθυστέρησης στα κέντρα δεδομένων, αναπτύσσεται και προτείνεται μια αρχιτεκτονική οπτικής μεταγωγής πακέτων. Τέλος, προτείνονται δύο φωτονικά υπολογιστικά συστήματα γραμμικής άλγεβρας με σκοπό τη συγκράτηση και τη διαχείριση του τεράστιου όγκου υπολογισμών που εκτελούνται σε συστήματα υψηλής απόδοσης. Αρχικά, προτάθηκε τόσο θεωρητικά όσο και πειραματικά μια αρχιτεκτονική οπτικού μετατροπέα μήκους κύματος εκρηκτικής ροής για την ικανοποίηση των απαιτήσεων των παθητικών δικτύων πολυπλεξίας στον χρόνο όσον αφορά την υψηλή δυναμική εμβέλεια των οπτικών ακροδεκτών αλλά και τον ρυθμό μετάδοσης των δεδομένων. Σε αυτά τα πλαίσια, η αρχιτεκτονική αξιολογείται πειραματικά με λειτουργία εκρηκτικής ροής 20 Gb/s και δεδομένων τύπου χωρίς επιστροφή στο μηδέν, με αναλογία υψηλής-χαμηλής ισχύος έως και 5 dB, ενώ προκειμένου να εξομοιωθούν οι πραγματικές συνθήκες κυκλοφορίας σε ενα παθητικό δίκτυο με εκρηκτική ροή, η αρχιτεκτονική ελέγχθηκε σε ζεύξεις μετάδοσης χωρίς αντιστάθμιση διασποράς και σε διαφορετικές αποστάσεις, παρέχοντας λειτουργία χωρίς σφάλματα σε όλες τις περιπτώσεις. Στη συνέχεια, αναγνωρίζοντας την απαίτηση για δυνατότητες επαναδιαμόρφωσης αλλά και φασματικής απόδοσης σε 5G δίκτυα, παρουσιάζεται μια αρχιτεκτονική τύπου με δυνατότητα επαναδιαμόρφωσης εύρους ζώνης για ασύρματα δίκτυα κεντρικής πρόσβασης. Η εν λόγω αρχιτεκτονική αποδεικνύεται πειραματικά χρησιμοποιώντας τέσσερις συνδέσεις των 250 MBd QAM16 η καθεμία, επιτρέποντας συνολικό ρυθμό 1 Gb/s ανά τερματικό, ικανοποιώντας τις απαιτήσεις που επιβάλλονται απο τους βασικούς δείκτες απόδοσης για την τεχνολογία 5G. Με κίνητρο τις προκλήσεις που αντιμετωπίζουν οι ηλεκτρονικοί μεταγωγείς στα κέντρα δεδομένων, παρουσιάζεται και επιδεικνύεται πειραματικά μια αρχιτεκτονική οπτικού μεταγωγέα πακέτων με το όνομα Hipoλaos. Στα πλαίσια της διδακτορικής διατριβής υλοποιήθηκε πειραματικά ένα επίπεδο 1024-θυρών της αρχιτεκτονικής Hipolaos, αποδίδοντας συνολική χωρητικότητα 25.6 Tb/s και τιμή καθυστέρησης μόλις 56 ns ενώ η λειτουργία του επαληθεύτηκε πειραματικά χωρίς σφάλματα με μέση ποινή ισχύος μόλις 2.88 dB. Εφόσον προτάθηκαν και υλοποιήθηκαν τα δίκτυα μεταφοράς και επεξεργασίας δεδομένων για ασύρματες επικοινωνίες και για κέντρα δεδομένων, στην συνέχεια μελετήθηκαν θεωρητικά δύο αρχιτεκτονικές φωτονικών υπολογιστικών συστημάτων γραμμικής άλγεβρας για εφαρμογές υπολογιστικών συστημάτων υψηλής ταχύτητας. Η πρώτη αρχιτεκτονική βασίζεται σε γενικευμένα συμβολόμετρα τύπου Mach-Zehnder ενσωματωμένα σε σχήμα singular value decomposition, ενώ η δεύτερη περιλαμβάνει μια αρχιτεκτονική άμεσης αντιστοίχισης στοιχείων που υλοποιείται με εναν ραβδεπαφικό μεταγωγέα. Οι 2 προτεινόμενες αρχιτεκτονικές αποδίδουν 100% ομοιότητα που οφείλεται στην ισορροπημένη απο απώλειες διάταξή τους, ενώ η αρχιτεκτονική ραβδεπαφικού μεταγωγέα προσφέρει την καλύτερη επεκτασιμότητα, καθώς αποφεύγει την εκθετική κλιμάκωση των απωλειών των κόμβων. Στην συνέχεια παρουσιάζεται και αναπτύσσεται πειραματικά η αρχιτεκτονική ραβδεπαφικού μεταγωγέα, με σκοπό την υλοποίηση ενός νευρομορφικού φωτονικού επεξεργαστή ο οποίος θα χρησιμοποιηθεί σε επόμενης γενιάς υπολογιστικά συστήματα που θα είναι ικανά να εκτελούν βαθιά νευρωνικά δίκτυα πάνω σε φωτονική πλατφόρμα. Η λειτουργία του φωτονικού επεξεργαστή επαληθεύτηκε πειραματικά κατηγοριοποιώντας ένα σετ δεδομένων-ψηφίων με ακρίβεια 95.24% και σε ταχύτητες έως 50 GHz. Τέλος, επιδεικνύεται πειραματικά μια αμιγώς οπτική μνήμη τυχαίας προσπέλασης που λειτουργεί χωρίς σφάλματα σε ταχύτητες έως 10 GHz.
description: The research contributions of this dissertation have been revolved around the development of fully-reconfigurable fiber wireless and optical burst-mode wavelength converter architectures for spectrally efficient, flexible, and low-cost 5G fronthaul and time division multiplexing-passive optical networks. Additionally, towards addressing the need for high capacity, high radix and low latency data center switching infrastructure, an optical packet switch architecture is developed. Finally, in view of sustaining the massive computations executed in high-performance computing engines, two linear optics architectures are proposed. First, towards meeting the time division multiplexing-passive optical network requirements in terms of high-dynamic range photoreceivers and high data rate, a burst-mode wavelength converter architecture is theoretically and experimentally demonstrated. The architecture is experimentally evaluated under 20 Gb/s non-return to zero burst-mode operation, exhibiting a loud-soft ratio of up to 5 dB, while in order to emulate real burst-mode traffic conditions, the proposed architecture is tested under non-dispersion compensated transmission links with differential distances, providing error-free operation in all cases. Secondly, acknowledging the requirement of reconfigurability and spectral efficiency in 5G fronthaul networks, a bandwidth reconfigurable fiber-wireless architecture for flexible centralized-radio access networks is presented. The proposed fronthaul bus is experimentally demonstrated employing four fiber-wireless links of 250 MBd QAM16 each, enabling an aggregate rate of 1 Gb/s per terminal, meeting the 5G key performance indicators user requirements. Motivated by the challenges in terms of capacity and latency faced by currently deployed data center electronic switches and the new requirements imposed by emerging data center disaggregation paradigms, an optical packet switch architecture named Hipoλaos is presented and experimentally demonstrated. A switch plane prototype of a 1024-Hipoλaos layout was experimentally demonstrated, yielding a total capacity of 25.6 Tb/s and latency value of only 56ns, while its switch operation was experimentally verified using bit error-rate measurements that reveals error-free operation with only 2.88 dB power penalty. Demarcating from the data transportation hardware solutions for cellular and data center networks, towards high-speed computing engines, two universal linear optics architectures are introduced and theoretically demonstrated. The first architecture is based on generalized Mach-Zehnder interferometers embedded in singular value decomposition scheme, while the second comprises a direct elements mapping architecture realizing in a coherent crossbar layout. Both designs yield 100% fidelity that owes to their loss-balanced configuration, while crossbar layout offers the best scalability credentials as it avoids the node loss cascadability. Moreover, the last chapter presents an experimental demonstration of the crossbar architecture towards implementing a neuromorphic photonic accelerator that can be incorporated in next-generation computing deep neural network engines. The photonic accelerator is experimentally validated in a real neural network deployment, successfully classifying a dataset of numerical digits with accuracy 95.24% at speeds up to 50 GHz. Finally, an all-optical random-access memory cell is experimentally demonstrated at speeds up to 10 GHz, while its memory write/read operation is experimentally evaluated through bit error-rate measurements that reveal error-free operation.